DE6801162U - Fluessigkeitsruehrer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rührer mit Rührgefäß für Flüssigkeiten, denen andere Flüssigkeiten, Gase oder feinverteilte feste Stoffe beigemischt werden sollen. Das Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der Mischleistung und damit eine Ersparnis an Rührzeit und Energieaufwand.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind Rührer der verschiedensten Gestalt bekannt, beispielsweise solche, die Rührarme mit Blättern oder Widerstandskörpern durch die Flüssigkeit bewegen, welche die Flüssigkeit in Rotation versetzen oder infolge Strömungsabriss eine Turbulenz erzeugen. Andere verwenden Propeller oder Schraubenwände, um die Flüssigkeit in Bewegung zu setzen. Auch sind Methoden bekannt, schnelle Flüssigkeitsstrahlen oder Gasblasen durch den Inhalt des Rührbehälters zu bewegen, um auf diese Weise eine Durchmischung zu erzielen.

Neuere strömungstechnische Untersuchungen zeigten nun, dass gegenüber diesen Methoden eine wesentliche Verbesserung der Mischleistung und damit eine Einsparung an Mischzeit und Energieaufwand erreicht werden kann, wenn man die Strömungsverhältnisse im Rührer derart gestaltet, dass zwei im Wesentlichen gegenläufige Strömungen entstehen, die sich auf eine derart lange Strecke berühren, dass die Länge der Strecke groß ist gegenüber der Dicke der beiden Strömungsschichten. Es spielt dabei keine Rolle, wenn diese gegenläufigen Strömungen von anderen, kleineren Bewegungskomponenten überlagert werden.

Der genannte Verlauf zweier gegenläufiger Strömungen stellt sich normalerweise nicht ein, da er, als Begleiterscheinung der hohen Mischleistung, mit einem erhöhten Impulsaustausch verbunden ist. Die Strömung sucht von sich aus jedoch zunächst den Weg des geringsten Widerstandes. Es müssen daher beiden gegenläufigen Strömungen zusätzliche Kräfte aufgeprägt werden, welche diese zwingen, den Weg des größten Widerstandes und damit der größten Mischleistung zu gehen. Solche strömungstechnischen Maßnahmen können darin bestehen, dass beispielsweise im drehsymmetrischen Fall der einen Strömung eine gewisse Rotation aufgeprägt wird, wodurch diese aus Fliehkraftgründen entlang den Wänden eines beispielsweisen konischen oder zylindrischen Mischbehälters strömt, während die entgegengesetzt gerichtete Komponente ein derart hohes Druckgefälle haben muss, dass dieses ausreicht, auch die entgegengesetzt gerichtete Strömung gegen den Weg des größeren Widerstandes zu treiben.

Grundlagenversuche haben gezeigt, dass als Maß für die spezifische Mischleistung der Bereich an turbulenten Schwankungsfrequenzen in der Strömung anzusehen ist, und dass ausschließlich das erfindungsgemäße Strömungsbild einen um das 4 - 10fache größeren Bereich an turbulenten Schwankungsfrequenzen und mithin an Mischleistung liefert, als andere heute bekannte Geräte.

Die Erfindung soll anhand von mehreren sich in der Form geringfügig unterscheidenden, jedoch wirkungsmäßig identischen Vorrichtungen beschrieben werden.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrührer. Er besteht in diesem Beispiel aus einem konischen Behälter (1) mit einem unteren Boden (2) und einem oberen Deckel (3). In der Nähe des Bodens (2) rotiert ein kreiselpumpenähnliches Laufrad, welches aus einer der Bodenform entsprechenden Tragschale (4) besteht, die über eine Welle (5) in Rotation versetzt wird und bekannte Leitschaufeln (6) trägt. Am entgegengesetzten Ende des Behälters (1) befinden sich feststehende Leitschaufeln (7), welche der Strömung den Drall wieder entziehen. Die Zufuhr der zu mischenden Komponenten erfolgt durch Anschlussrohre (8) und (9), welche auch als Entlüftungs- und Entgasungsrohre dienen können. Zum Entleeren dient eine Ablassleitung (10).

Bei Rotation des Laufrades (4, 5, 6) wirkt dieses wie eine Kreiselpumpe und fördert die Strömung mit einem mäßigen Drall entlang der Wände des Behälters (1) zu dem gegenüberliegenden Behälterende. Hier wird durch die feststehenden Leitschaufeln (7) der rotierenden Strömung der Druck
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gen, wodurch sich über den gesamten Querschnitt im Bereich der Leitschaufeln (7) ein näherungsweise gleicher statischer Druck einstellt. Von hierher saugt das Laufrad entlang der Achse des Behälters (1) seine Durchsatzströmung an, so dass sich zwei Strömungskomponenten einstellen, nämlich eine aus dem Bereich des Zentrums der Leitschaufeln (7) entlang der Kammerachse zum Eintritt des Laufrades, und eine zweite, mit schwacher Rotation überlagerte Strömung vom Austritt der Leitschaufeln (6) bis in die Leitschaufeln (7) hinein. Dieses erfindungsgemäße Strömungsbild hat in der Tat die von der Theorie vorausgesagten Eigenschaften erhöhter spezifischer Mischleistung.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrührers, wobei die Welle (5) nicht von unten her durch den Boden (2), sondern von oben her durch den Deckel (3) in den Behälter hineingeführt wird. Dieses kann Vorteile haben, wenn Feststoffe oder andere aggressive Komponenten die Stopfbüchsendurchführung der Welle (5) durch den Boden (2) beeinträchtigen könnten.

Figur 3 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrührers, wobei an Stelle einfacher radialer Leitschaufeln (7) diese eine strömungsgünstige Form erhalten und um einen Füllkörperring (11) herumgezogen sind, damit sich um diesen herum eine ordnungsgemäße Umströmung einstellt. Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich bei

Gestaltung der Leitschaufeln (7) nach den bekannten Regeln des Kreiselpumpenbaues zusätzliche Einsparungen an Antriebsenergie erzielen.

Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Behälters (1), der in diesem Fall nicht konisch, sondern zylindrisch ist. Dieses hat den Vorteil einfacherer Herstellung, jedoch den Nachteil, dass der Druckgradient der Rückströmung von den Leitschaufeln (7) bis zu dem gegenüberliegenden Laufrad schwächer ist. Entsprechend ist auch die spezifische Mischleistung geringer. Nichtsdestoweniger ist der erfindungsgemäße Mischeffekt auch hier noch in schwächerem Maße vorhanden.

Figur 5 zeigt Einzelheiten des rotierenden Laufrades. Hierbei sind insbesondere in der Tragschale (4), welche die Leitschaufeln (6) trägt, Bohrungen (12) vorhanden, die einen gewissen Flüssigkeitsdurchsatz durch den Spalt zwischen Tragschale (4) und Boden (2) bewirkt und diesen dadurch freispült.

Weiterhin können die Leitschaufeln (6) durch einen ringförmigen Abdeckkörper (13) abgedeckt sein, der der austretenden Strömung eine den anschließenden Außenwänden entsprechende Richtung erteilt und andererseits die axiale Rückströmung der Eintrittskante der Leitschaufeln (6) zuführt.

Bei hinreichend gefülltem Behälter ist es gleichgültig, in welcher Lage das Gerät angeordnet ist. So kann es auf der

Seite liegen oder auch auf dem Kopf stehen. Entsprechend vertauschen dann Entlüftungsleitungen, Zuführungsrohre und Ablassleitungen ihre Funktion.

Alle angeführten konstruktiven Merkmale können erfindungswesentlich sein.

Das Strömungsbild des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrührers ist unabhängig von der Reynoldszahl, d.h. unabhängig von Abmessung, Strömungsgeschwindigkeit und Zähigkeit der Flüssigkeit, sofern gewisse Mindestwerte der Reynoldszahl überschritten werden. Die spezifischen Mischleistungen kleiner und großer Geräte sind daher gleich; aus diesem Grunde können für günstigste Formgebungen nur relative Angaben gemacht werden.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, den Behälter (1) konisch auszuführen, wobei der größere Durchmesser des Behälters (1) doppelt so groß ist wie der kleine Durchmesser des konischen Behälters (1), während die axiale Länge des Behälters (1) das 3,5-fache des kleinen Durchmessers ist. Dieses entspricht eine Gestaltung nach Figur 1.

Bei einer zylindrischen Ausführung nach Figur 4, die den Grenzfall der konischen Ausführung darstellt, sind Länge und größter Durchmesser des Behälters (1) gleich, während der bisherige kleine Durchmesser jetzt mit dem großen Durchmesser identisch ist. Bei gleichem größeren Druckmesser und gleicher axialer Länge reduziert sich damit das Verhältnis von Länge zu Durchmesser auf den Wert
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Versuche zeigten, dass das Verhältnis von Länge zu Durchmesser die angegebenen Werte durchaus um 30 - 40 % überschreiten kann. Allerdings ist dieser zusätzliche Volumenaufwand dann schlecht ausgenutzt, weil die Geschwindigkeiten in dem den Laufrad gegenüberliegenden Teil des Behälters gering und die dortige Durchmischung entsprechend kleiner ist.

Bei einer Unterschreitung des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser lässt die Intensität der röhrenförmigen Turbulenzzone immer weiter nach; bei Annäherung an die Größenordnung des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser von 1 : 1 bilden die Durchsatzkomponenten bereits einen torsidalen Wirbelring, wobei die röhrenförmige Turbulenzzone zu einem Torus wird, dessen Mischleistung gering ist. Bei Abweichung von den günstigsten Werten des Verhältnisses Länge zu Durchmesser gegen Wert 1 : 1 sinkt auch die spezifische Mischleistung entsprechend, während Energieverbrauch und Mischzeit zunehmen.

Der Boden (2) und der Deckel (3) hat in günstigsten Fall die Gestalt einer Kugelkalotte oder eines Korb- oder Klöpperbodens. Etwas weniger günstig ist die Gestaltung als Kegel, die im Grenzfall zu einem ebenen Boden ausarten kann, der jedoch festigkeitsmäßig und strömungstechnisch am ungünstigsten ist.

Die schließlich weiterhin denkbare Formgebung, bei der der Boden (2) einen größeren Durchmesser als der Deckel (3) hat, wobei also der Behälter (1) eine umgekehrte Konizität als in Figur 1 aufweist, ist mischungstechnisch noch ungünstiger als die zylindrische Formgebung nach Figur 4. Im Fall der umgekehrten Konizität nehmen nämlich die Durchmesser mit steigender Entfernung vom Laufrad ab; nach dem Drallsatz nehmen entsprechend die Umfangskomponenten der Strömung zu. Nach dem Satz von Bernoulli sinken damit die statischen Drucke. Damit wird aber auch das die Rückströmung treibende Druckgefälle entlang der Achse des Behälters (1) in Richtung auf das Laufrad geschwächt. Mit schwächer werdender Rückströmung wird auch die Durchmischung schlechter.

Es sind auch Zwischenformen zwischen der strömungsgünstigsten konischen Form nach Figur 1 und der vereinfachten zylindrischen Form nach Figur 4 denkbar der Art, dass die Innenkontur des Behälters (1) aus wenigstens einem konischen und einem zylindrischen Teil zusammengesetzt ist, welches geringere Fertigungskosten als der rein konische Behälter (1) verursacht, jedoch in der spezifischen Mischleistung zwischen der rein konischen und der rein zylindrischen Ausführung liegt.

Claims (11)

1. Flüssigkeitsrührer zum Mischen einer Flüssigkeit mit wenigstens einer anderen Flüssigkeit, einem Gas oder einem feinverteilten Feststoff, bestehend aus einem drehsymmetrischen Behälter (1) mit einem unteren Boden (2) und einem oberen Deckel (3) sowie einem rotierenden Antriebsteil und feststehenden Leitschaufeln, gekennzeichnet dadurch, dass der Behälter (1) konisch bzw. im Grenzfall zylindrisch ist, dass der Antriebsteil die Gestalt eines von Kreiselpumpen her bekannten Laufrades hat, dass über eine Welle (5) angetrieben wird und mit Leitschaufeln (6) versehen ist, dass sich dieses Laufrad an dem Ende des kleinsten Durchmessers des Behälters (1) befindet, dass die Leitschaufeln (7) sich an dem den rotierenden Antriebsteil gegenüberliegendem Ende des Behälters (1) befinden und derart gestaltet sind, dass sie die Rotation der Strömung herabsetzen, dass die axiale Länge des Behälters (1) seinen größten Durchmesser übersteigt und dass die Form des Laufrades, insbesondere der Leitschaufeln (6) derart gewählt wird, dass die aus dem Laufrad austretende Strömung dem Verlauf des Bodens (2) und der Wandung des anschließenden Behälters (1) angepasst ist.

2. Flüssigkeitsrührer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die das Laufrad antreibende Welle (5) den dem Laufrad benachbarten Boden (2) durchsetzt.

3. Flüssigkeitsrührer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die das Laufrad antreibende Welle (5) den dem Laufrad gegenüberliegenden Deckel (3) durchsetzt.

4. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die feststehenden Leitschaufeln die Form radialer Bleche haben.

5. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die feststehenden Leitschaufeln (7) in radialer Richtung um einen ringartigen Füllkörper (11) herumgezogen sind.

6. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Laufrad, welches von einer Welle (5) angetrieben wird, wenigstens aus einer Tragschale (4) sowie Leitschaufeln (6) besteht, wobei die Tragschale Bohrungen (12) besitzt, durch welche Flüssigkeit hindurchtreten und den Raum zwischen Tragschale (4) und Boden (2) ausspülen kann.

7. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Behälter (1) konische Gestalt hat, wobei der größere Durchmesser näherungsweise doppelt so groß ist wie der kleinere Durchmesser und wobei die axiale Erstreckung näherungsweise das 1,5 - 2-fache des großen Durchmessers ist.

8. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Behälter (1) zylindrisch ist und dass sein Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 1 : 1 ist, vorzugsweise 1,4 - 1,8.

9. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass sein Boden (2) und sein Deckel (3) gewölbt sind.

10. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Boden (2) und der Deckel (3) kegelige Gestalt haben.

11. Flüssigkeitsrührer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Innenkontur des Behälters (1) aus wenigstens einem konischen und einem zylindrischen Teil zusammengesetzt ist.