DE69627368T2

DE69627368T2 - Mischdüse für medien und deren gebrauchsverfahren

Info

Publication number: DE69627368T2
Application number: DE69627368T
Authority: DE
Inventors: W Gerald Lott
Original assignee: Lott W Gerald Houston
Current assignee: Lott W Gerald Houston
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: AU6912096A; ATE236725T1; WO1997009123A1; CA2238629C; DE69627368D1; US5664733A; CA2238629A1; EP0862500A1; DK0862500T3; EP0862500A4; EP0862500B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Düse und ein Verfahren. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Flüssigkeitsmischdüse, die einen chaotisch turbulenten Fluss erzeugt und in diesem Fluss die Bildung von Wirbeln hervorruft, so dass Energie und Geschwindigkeit vom Kern des Flusses zu seiner Grenzschicht übertragen werden.
Der effizienten Mischung von Flüssigkeiten kommt eine ausschlaggebende Bedeutung bei vielen Geräten und Prozessen zu. Beispielsweise bei Ejektoren oder absaugenden Dampfstrahlpumpen (Saugstrahlpumpen) wird eine Vermischung erreicht, indem ein beschleunigter Strahl einer Flüssigkeit in Berührung mit einer verhältnismäßig stationären zweiten Flüssigkeit gebracht wird. Bestehende Flussinstabilitäten an der Grenzschicht der ersten Flüssigkeit und der innerhalb der beschleunigten Flüssigkeit vorliegende Unterdruck sorgen dafür, dass die zweite Flüssigkeit mitgerissen wird.
Bei früheren Bemühungen zur Verbesserung des Mischvorgangs wurden u. a. die Kanten des Düsenausgangs verbogen, um in dem Fluss Strudel hervorzurufen. Allerdings sind die durch das Verbiegen erreichbaren Ergebnisse doch relativ ineffektiv geblieben. Bei einer zweiten Methode zur Steigerung des Vermischungseffekts wird eine erste Flüssigkeit mit einer pulsierenden Geschwindigkeit oder einem pulsierenden Druck eingesetzt. Um die Geschwindigkeit zum Pulsieren zu bringen, wird jedoch von außen zugeführte Energie verbraucht, so dass diese Methode häufig ineffizient ist. Bei einer dritten Methode zur Steigerung des Vermischungseffekts wird in dem Strahlfluss eine Verwirbelung hervorgerufen (siehe das am 28. Mai 1985 an Ho et al. erteilte US-Patent Nr. 4,519,423). Der rotierende Wirbel fördert sowohl die Vermischung der Flüssigkeitsmassen (auf Bulk-Ebene) als auch die molekulare Dispersion.
Zur Druckrückgewinnung besitzen Saugstrahlpumpen häufig einen hinter der Düse angeordneten Diffusor. Ohne einen solchen Diffusor kommt es zu einem raschen Verlust der Flussenergie. Bei typischen Diffusoren ist der Einlassquerschnitt kleiner als der Aunlassquerschnitt. Im Allgemeinen ist ein Diffusor ein Flussdurchtrittsgerät zur Reduktion der Geschwindigkeit und zur Erhöhung des statischen Drucks einer Flüssigkeit. Demzufolge wirkt der Druckgradient der Flüssigkeit dem Fluss entgegen. Folglich kann die Grenzschicht abgebremst werden und sich verdicken, wenn die Diffusorwände zu steil sind, so dass es zu einer Grenzschichtabtrennung kommt. Bei einer Abtrennung, bei der die Flüssigkeit keine ausreichende Flussgeschwindigkeit besitzt, um den Rücklaufdruck zu überwinden, kann es zu einem Rückfluss der Flüssigkeit in der Nähe der Diffusorwand kommen. Ein solcher Abtrennungsvorgang an der Diffusorwand lässt sowohl die Druckrückgewinnung als auch die Geschwindigkeitsreduktion ineffizient werden.
Bei einem Verfahren zur Verhinderung der Abtrennung an der Diffusorwand werden verhältnismäßig lange Diffusoren mit einem kleinen Verjüngungswinkel verwendet. Räumliche oder Gewichtsbeschränkungen können die Verwendung eines langen Diffusors jedoch unmöglich machen. Bei einem zweiten Verfahren zur Verhinderung der Abtrennung an der Diffusorwand wird die Grenzschicht mit Energie versorgt, indem der Energiegehalt in der Nähe der Diffusorwand hoch gehalten wird.
Zur Energieversorgung der Grenzschicht stehen sowohl aktive als auch passive Techniken zur Verfügung. Als Beispiel für eine aktive Methode ist die Injektion von zusätzlicher Flüssigkeit in der Nähe der Diffusorwand zu nennen, d. h. dort, wo der Flüssigkeitsstau mit aller Wahrscheinlichkeit auftritt. Bei den passiven Verfahren wird im Allgemeinen Energie aus dem Kern des Flusses, der eine verhältnismäßig höhere Geschwindigkeit aufweist als die Anteile an den Grenzen, zu den Grenzanteilen übertragen.
In anderen Worten: an jedem beliebigen Punkt im Diffusor besitzt der Fluss ein kinetisches Energieflussprofil. Bei einem typischen Diffusor hat der axiale Anteil beispielsweise eine größere Geschwindigkeit als der Grenzanteil. Folglich zeigt das Flussprofil einen Spitzenwert. Ein gleichförmiges Auslass-Flussprofil ermöglicht jedoch eine größere Druckrückgewinnung und die maximale Druckrückgewinnung ist erreichbar, wenn ein Einlassprofil mit einem Spitzenwert und ein gleichförmiges Auslassprofil vorliegen. Folglich führt die Übertragung von Energie und Geschwindigkeit aus dem Kern des Flusses zu den Grenzanteilen zu einer größeren Druckrückgewinnung.
Die passive Übertragung von Energie zu den Grenzanteilen kann auf effektive Weise erfolgen, indem in dem Fluss Verwirbelungen erzeugt wird, wie in den US-Patenten Nr. 4,971,768 (Ealba et al., 20. November 1990), Nr. 4,957,242 (Schadow, 18. September 1990) und in Ho et al. dargestellt ist. Ealba et al. offenbart die Wirbelbildung mit Hilfe eines dünnen, gefalteten und hinter der Düse angeordneten Wandbauteils. In Schadow wird die Wirbelbildung mit einer Düse mit einem länglichen Auslass dargestellt, der in der austretenden Flüssigkeit eine Strudelbildung hervorruft, und in Ho et al. wird die Wirbelbildung mit Hilfe eines nicht-kreisförmigen Auslasses mit ungleicher großer und kleiner Achse dargestellt, wobei das Verhältnis von großer Achse zu kleiner Achse kleiner als fünf ist.
Die oben genannten Düsen und Mischgeräte können zwar bei der Vermischung, dem besseren Mitreißen einer zweiten Flüssigkeit und bei der Druckrückgewinnung helfen, doch sind sie durchaus verbesserungsfähig und können eine effizientere Vermischung, eine höhere Druckrückgewinnung und einen höheren Mitreißunterdruck bieten und es ermöglichen, verhältnismäßig kürzere Diffusoren zu verwenden und auf diese Weise die Kosten und den Energieverbrauch zu senken. In keiner der zitierten Veröffentlichungen findet sich eine Darstellung einer chaotischen Turbulenz und weitreichenden Wirbelbildung zur Verbesserung der Vermischung und der Druckrückgewinnung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Aufgabe, unter anderem eine verbesserte Flüssigkeitsmischdüse zu bieten, die
eine Flüssigkeit beschleunigt;
eine bessere Vermischung von Flüssigkeiten bietet, und zwar sowohl im Hinblick auf die Vermischung der Flüssigkeitsmassen (Bulk-Ebene) als auch die molekulare Dispersion; die Anwendung kürzerer Diffusoren in Saugstrahlpumpen ermöglicht;
die Anwendung von Diffusoren mit Verjüngungswinken von bis zu 35 Grad erlaubt;
einen chaotisch turbulenten Fluss erzeugt;
die Wirbelbildung in dem Fluss hervorruft; Energie und Geschwindigkeit von dem Kern des Flusses zur Grenzschicht überträgt und auf diese Weise den Energiegehalt der Grenzschicht erhöht;
das Mitreißen in Saugstrahlpumpen verbessert;
die Konvergenz der sich ergebenden unabhängigen Flüsse an einem vorbestimmten Punkt hinter der Düse erlaubt;
ein im Wesentlichen gleichförmiges Auslassflussprofil hinter einem Diffusor erzeugt; und
bei Verwendung in einer Saugstrahlpumpe eine Druckrückgewinnung von mindestens 80 Prozent erzielt.
Um diese Verbesserungen zu erzielen, besteht die vorliegende Erfindung aus einer verbesserten Flüssigkeitsmischdüse, aus der eine erste Flüssigkeit fließt, um sich außerhalb der Düse mit einer zweiten Flüssigkeit zu vermischen. Die Düse besteht aus einem Düsenkörper mit einem Hohlraum, der sich von einem Düsen-Einlass-Ende durch den Düsenkörper bis zu einem Düsen-Auslass-Ende erstreckt. Der Hohlraum definiert eine Einlass-Öffnung am Düsen-Einlass-Ende und eine Auslass-Öffnung am Düsen-Auslass-Ende. Der Querschnitt der Einlass-Öffnung ist größer als der Querschnitt der Auslass-Öffnung, der Hohlraum ist zumindest teilweise verjüngt und die Verjüngung sorgt für einen glatten Übergang zwischen der Düsen-Einlass-Öffnung und der Düsen-Auslass-Öffnung.
Die Querschnittform der Auslass-Öffnung besitzt einen im Wesentlichen kreisförmigen zentralen Teil und mindestens drei Vorwölbungen, welche sich vom Umfang des zentralen Teils ausdehnen, wobei jeder der mindestens drei Vorwölbungen jeweils im gleichen Abstand am Umfang des zentralen Teils angeordnet ist, verhältnismäßig kleiner als der besagte zentrale Teil ist, eine in radialer Richtung von besagtem Teil gemessene radiale Abmessung aufweist und eine im rechten Winkel zu der besagten radialen Abmessung gemessene tangentiale Abmessung aufweist und jede der mindestens drei Vorwölbungen proximal zum zentralen Teil ein Vorwölbungs-Verbindungs-Ende und distal zum zentralen Teil ein Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende besitzt.
Die Düse zeichnet sich dadurch aus, dass jede der mindestens drei Vorwölbungen ein Paar gegenüberliegende Seiten besitzt, die sich zwischen dem Vorwölbungs-Verbindungs-Ende und dem Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende ausdehnen, wobei die gegenüberliegenden Seiten im Wesentlichen parallel angeordnet sind, wobei das sich ergebende Flussmuster der ersten Flüssigkeit hinter der Düsen-Auslass-Öffnung einen Kern eines Flusses und jeweils einen von jeder der mindestens drei Vorwölbungen erzeugten Wirbel umfasst, und wobei die turbulente Vermischung der ersten Flüssigkeit und einer sich außerhalb der Düse befindenden zweiten Flüssigkeit verstärkt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Art und Weise, auf die diese Zielsetzungen und weitere wünschenswerte Eigenschaften erreicht werden können, wird in der nachfolgenden Beschreibung sowie den zugehörigen Zeichnungen erläutert, wobei:
1 eine isometrische Ansicht der Flüssigkeitsmischdüse darstellt.
2 einen Aufriss des Auslass-Endes der in 1 dargestellten Düse darstellt, die acht Erhebungen umfasst, die sich vom Umfang des zentralen Teils der Querschnittsform der Auslass-Öffnung erstrecken. Die Erhebungen besitzen eine ähnliche Gestalt und ähnliche Querschnitte, ein abgerundetes Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende und ein Verhältnis ihrer radialen Abmessung zu ihrer tangentialen Abmessung von ungefähr 1 : 1.
3 einen Aufriss des Auslass-Endes einer Düse mit sechs Erhebungen, die sich vom Umfang des zentralen Teils der Querschnittsform der Auslass-Öffnung erstrecken, darstellt. Die Erhebungen besitzen eine ähnliche Gestalt und ähnliche Querschnitte, ein im Wesentlichen flaches Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende und ein Verhältnis ihrer radialen Abmessung zu ihrer tangentialen Abmessung von ungefähr 1 : 1.
4 einen Aufriss des Auslass-Endes einer Düse mit acht Erhebungen, die sich vom Umfang des zentralen Teils der Querschnittsform der Auslass-Öffnung erstrecken, darstellt. Das Verhältnis ihrer radialen Abmessung zu ihrer tangentialen Abmessung schwankt zwischen einem Wert von ungefähr 1 : 1 und einem Wert von ungefähr 2 : 1.
5 eine isometrische Ansicht einer Saugstrahlpumpe, die die Düse beinhaltet, im Teilquerschnitt darstellt. 6 eine isometrische Ansicht der Düse und des Diffusors, die in 5 dargestellt sind, im Teilquerschnitt darstellt.
7 eine grafische Auftragung des in Pa und psig gemessenen Einlassdrucks der Düse gegen den in kPa und Zoll Quecksilbersäule gemessenen Unterdruck der zweiten Flüssigkeit, die in die Saugstrahlpumpe gesogen wird, darstellt, und die Ergebnisse eines Vergleichstests erläutert, in dem eine Reihe von Düsen-Auslass-Öffnungskonfigurationen im funktionsfähigen Zustand an einer Saugstrahlpumpe mit einem Diffusor angebracht wurden.
7A einen Aufriss des Auslass-Endes einer Düse mit einem kreisförmigen Auslass darstellt.
7B einen Aufriss des Auslass-Endes einer Düse mit einem doppelt-elliptischen Auslass darstellt.
7C einen Aufriss des Auslass-Endes einer Düse mit einem elliptischen Auslass darstellt.
8 ein schematisches Diagramm des für die Vergleichstests der Düse verwendeten Prüfapparats darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 1 bis 8 dargestellt, in denen auf die verbesserte Flüssigkeitsmischdüse unter der Nummer 10 Bezug genommen wird. Im Allgemeinen besteht die Düse 10 aus einem Düsenkörper 20, einer Einlass-Öffnung 30, einer Auslass-Öffnung 40 und einem Hohlraum 26, der die Einlass-Öffnung 30 und die Auslass-Öffnung 40 verbindet. Die Auslass-Öffnung 40 ist so konstruiert, dass von ihr ein chaotisch turbulenter, beschleunigter Fluss erzeugt wird.
Der Düsenkörper 20 besitzt eine Düsen-Einlass-Ende 22 und ein Düsen-Auslass-Ende 24. Unter typischen Umständen besitzt der Düsenkörper 20 eine zylindrische Gestalt, um zu den üblichen Rohrhohlräumen zu passen.
Der Hohlraum 26 erstreckt sich vom Düsen-Einlass-Ende 22 durch den Düsenkörper 20 bis zum Düsen-Auslass-Ende 24. Bei einem zylindrischen Düsenkörper 20 erstreckt sich der Hohlraum 26 vorzugsweise in axialer Richtung durch denselben. Falls der Hohlraum 26 das Düsen-Einlass-Ende 22 schneidet, definiert der Hohlraum 26 eine Düsen-Einlass-Öffnung 30, die vorzugsweise eine kreisförmige Querschnittsform besitzt. Und falls der Hohlraum 26 das Düsen-Auslass-Ende 24 schneidet, definiert der Hohlraum 26 eine Düsen-Auslass-Öffnung 40. Damit die Flüssigkeit beim Durchtritt durch die Düse 10 beschleunigt wird, besitzt die Düsen-Einlass-Öffnung 30 einen größeren Querschnitt als die Düsen-Auslass-Öffnung 40.
Der Hohlraum 26 besitzt eine sich verjüngende Gestalt, damit zwischen der Düsen-Einlass-Öffnung 30 und der Düsen-Auslass-Öffnung 40 ein glatter Übergang besteht. Der Konvergenzwinkel der bevorzugten Verjüngung beträgt zwischen 12 Grad und 45 Grad, wobei ein Konvergenzwinkel zwischen 30 Grad und 38 Grad eine optimale Leistungsfähigkeit ergibt.
Der Verjüngungswinkel kann für die Konvergenz der von jeder der nachfolgend beschriebenen Vorwölbungen 50 ausgehenden Flüsse an einem vorbestimmten Punkt hinter der Düsen-Auslass-Öffnung 40 sorgen. Oder anders gesagt: die Konstruktion der Düse mit einem bestimmten Verjüngungswinkel führt zur Konvergenz oder zur Kreuzung des Flusses an einem vorbestimmten Punkt hinter der Düse 10. Folglich konvergieren die Flüsse von jeder der Vorwölbungen 50 am selben Punkt, wenn die Vorwölbungen 50 jeweils den gleichen Verjüngungswinkel besitzen. Die Verjüngungswinkel der einzelnen Vorwölbungen 50 können aber auch so variiert werden, dass die von den einzelnen Vorwölbungen ausgehenden Flüsse den Kern an verschiedenen Punkten hinter der Düse 10 schneiden. Daher können die Flüsse je nach den individuellen Bedürfnissen des Systems zur Konvergenz oder Nichtkonvergenz gebracht werden, oder der Verjüngungswinkel der Düse 10 kann so konstruiert sein, dass einige der Flüsse an einem vorbestimmten Punkt konvergieren und andere Flüsse an einem anderen vorbestimmten Punkt konvergieren. Möglich und in der Erfindung berücksichtigt ist eine unbegrenzte Anzahl von Variationen und Iterationen an möglichen Konvergenz- bzw. Nichtkonvergenzverhältnissen der Flüsse. Mit anderen Konfigurationen der Vorwölbung 50 können andere chaotische Turbulenzmuster entstehen, beispielsweise durch ein Alternieren der radialen Sequenz der Vorwölbungen 50 im Hinblick auf ihre Achsenverhältnisse und Verjüngungswinkel.
Die Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung 40 setzt sich zusammen aus einem im Wesentlichen kreisförmigen zentralen Teil 42 und mindestens einer Vorwölbung 50, die sich vom Umfang 44 des zentralen Teils 42 erstreckt. Jede Vorwölbung 50 besitzt eine Länge oder radiale Abmessung, die in einer radialen Richtung von dem zentralen Teil gemessen wird, und eine Breite oder tangentiale Abmessung, die im rechten Winkel zu der radialen Abmessung gemessen wird. Das im Verhältnis zum zentralen Teil 42 proximale Ende jeder Vorwölbung 50, das Vorwölbungs-Verbindungs-Ende 56, ist zum zentralen Teil 42 hin offen gestaltet, wie in den Figuren dargestellt. Das im Verhältnis zum zentralen Teil 42 und zum Vorwölbungs-Verbindungs-Ende 56 distale Ende jeder Vorwölbung 50 stellt das Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende 58 dar. Vorzugsweise besitzt das Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende 58 entweder eine abgerundete Gestalt, wie in den 1, 2 und 4 dargestellt ist, oder eine flache Gestalt, wie in 3 dargestellt.
Üblicherweise hat jede Vorwölbung 5,0 jeweils einander gegenüberliegende lineare Seiten 60, die sich vom Vorwölbungs-Verbindungs-Ende 56 bis zum Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende 58 erstrecken. Vorzugsweise sind die Seiten 60 entweder parallel zueinander angeordnet oder sie konvergieren unter einem vorbestimmten Winkel von einer maximalen Breite am Vorwölbungs-Verbindungs-Ende 56 bis zu einer minimalen Breite am Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende 58.
Typischerweise enthält die Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung 40 eine Vielzahl von Vorwölbungen 50. Diese Vorwölbungen 50 sind im Allgemeinen in gleichen Abständen um den Umfang 44 des zentralen Teils 42 angeordnet, können als Alternative aber auch in ungleichen Abständen voneinander angeordnet sein. In den 1, 2 und 4 ist eine Düsen-Auslass-Öffnung 40 mit einer Querschnittsform dargestellt, die acht im gleichen Abstand voneinander angeordnete Vorwölbungen 50 beinhaltet. In 3 ist eine Düsen-Auslass-Öffnung 40 mit einer Querschnittsform dargestellt, die sechs im gleichen Abstand voneinander angeordnete Vorwölbungen 50 beinhaltet.
Im Allgemeinen ist jede Vorwölbung 50 jeweils verhältnismäßig kleiner als der zentrale Teil 42. Die Abmessungen und die Gestalt der einzelnen Vorwölbungen sind praktisch völlig frei wählbar. Die bevorzugten Ausführungsformen besitzen im Allgemeinen jedoch eine symmetrische Konfiguration. Beispielsweise besitzt die in den 1–3 dargestellte Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung 40 Vorwölbungen, deren radiale und tangentiale Abmessungen im Wesentlichen gleich groß sind und deren Querschnittsformen einander ähnlich sind. Folglich nimmt das Verhältnis der radialen Abmessung zur tangentialen Abmessung bei den in den genannten Figuren dargestellten Vorwölbungen 50 einen Wert von ungefähr 1 : 1 an.
Auch die in 4 dargestellte Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung 40 besitzt Vorwölbungen 50 mit einer im Allgemeinen symmetrischen Konfiguration. Allerdings schwankt das Verhältnis der radialen Abmessung zur tangentialen Abmessung dieser Vorwölbungen 50 zwischen einem Wert von ungefähr 1 : 1 und einem Wert von ungefähr 2 : 1 für nebeneinander liegende Vorwölbungen. Werte von 1 : 1 bis 2 : 1 für das Verhältnis der radialen Abmessung zur tangentialen Abmessung, wie in den Figuren dargestellt, wurden untersucht und haben sich als nützlich herausgestellt. Auch wenn in den Zeichnungen zum Zwecke der Bezugnahme die genannten Werte gezeigt werden, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf beliebige Verhältniswerte und Konfigurationen, mit denen die oben ausgeführten Zielsetzungen erreicht werden können. Wie bereits erwähnt können mit Vorwölbungen 50 in anderen Konfigurationen andere chaotische Turbulenzmuster erzeugt werden, z. B. durch das Wechseln der radialen Sequenz der Vorwölbungen 50 im Hinblick auf ihr Achsenverhältnis und ihren Verjüngungswinkel.
Die funktionsfähige Anwendung der oben beschriebenen Flüssigkeitsmischdüse 10 bietet ein Verfahren zur Wirbelbildung und zur Erzeugung eines chaotisch turbulenten Flusses. Ein verbessertes Mischverfahren beinhaltet die Schritte der Vorlage einer Düse 10, die der oben beschriebenen Düse 10 entspricht, mit der ein von der Düse 10 ausgehender chaotisch turbulenter beschleunigter Fluss erzeugt werden kann. Eine durch die Düse 10 geleitete und von dieser beschleunigte erste Flüssigkeit kommt mit einer zweiten Flüssigkeit in Berührung und vermischt sich mit dieser.
Wenn die oben beschriebene Düse 10 bei einer Saugstrahlpumpe 68 eingesetzt wird, findet die Vermischung der beschleunigten ersten Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit unmittelbar hinter der Düse 10 im Vermischungsbereich 80 statt. Die zweite Flüssigkeit kann dabei im Verhältnis zu der beschleunigten ersten Flüssigkeit stationär sein oder durch eine Injektion oder auf sonstige Weise in eine Berührung mit der ersten Flüssigkeit fließen. Die gemischte Flüssigkeit kann in eine Behälterstruktur, z. B. einen Diffusor 70, oder in einen offenen Behälter strömen. Saugstrahlpumpen 68 enthalten im Allgemeinen einen Diffusor 70 zu Druckrückgewinnungszwecken. Der Diffusor 70 besitzt ein Diffusor-Einlass-Ende 72 mit einem kleineren Querschnitt als das Diffusor-Auslass-Ende 74 und verjüngt sich auf gleichmäßige (glatte) Weise.
Bei Versuchen zur Bewertung der Leistungsfähigkeit der oben beschriebenen Düse 10 hat sich herausgestellt, dass der Einsatz der Düse 10 zur Bildung von starken Verwirbelungen führt, durch die sowohl Energie als auch Geschwindigkeit von dem Kern des Flusses zur Grenzschicht übertragen werden. Das sich ergebende Flussmuster hinter der Düse 10 enthält u. a. eine Wirbelbildung an jeder Vorwölbung 50. Darüber hinaus bietet die Düse 10 einen chaotisch turbulenten Fluss, durch den die Verwendung von kürzeren Diffusoren 70 in einer Saugstrahlpumpe 68 möglich wird. Der chaotisch turbulente Fluss und die Wirbelbildungen sorgen für eine stärkere Vermischung.
In 7 sind die Ergebnisse eines Vergleichstests dargestellt, in dem eine Reihe von unterschiedlichen Düsen-Auslass-Öffnungskonfigurationen auf funktionsfähige Weise an einer Saugstrahlpumpe 68 mit einem Diffusor angebracht wurden. Der in 8 schematisch dargestellte Prüfungsaufbau bestand aus einer Kreiselpumpe 100, die an die Einlasskammer 102 der Saugstrahlpumpe 68 angeschlossen war. Von der Einlasskammer 102 gelangte die Flüssigkeit durch die Düse durch einen Diffusor 70 in den Vermischungsbereich 80 und in einen verhältnismäßig großen Flüssigkeitsbehälter 104. Der Mitreiß-Unterdruck der Saugstrahlpumpe 68 konnte mit einem im Flüssig keitszufuhreinlass der zweiten Flüssigkeit 110 angebrachten Unterdruck-Manometer 106 gemessen werden. Ein höherer Mitreiß-Unterdruck führt zu einem stärkeren Mitreißen der zweiten Flüssigkeit in die Saugstrahlpumpe 68. Mit einem zweiten Unterdruck-Manometer 108 wurde der Druck in der Einlasskammer der Saugstrahlpumpe 68 gemessen, der dem zur Saugstrahlpumpe 68 geleiteten Druck entspricht. Die Düse war der einzige Teil der Saugstrahlpumpe 68, der in den Prüfungen jeweils verändert wurde. Die Querschnitte der Auslassöffnungen der geprüften Düsen waren jeweils gleich. An Querschnittsformen der Auslassöffnungen wurden ein kreisförmiger Auslass (7A), ein doppelt-elliptischer Auslass (7B), ein einfach elliptischer Auslass ( 7C) und der Auslass der vorliegenden Erfindung mit einem kreisförmigen Kern und sechs Vorwölbungen mit ähnlicher Größe und Gestalt (3), die der folgenden Gleichung genügten, geprüft: r = 2l = 2w wobei r den Radius des kreisförmigen Kerns darstellt, l die radiale Abmessung jeder der Vorwölbungen darstellt und w die tangentiale Abmessung jeder der Vorwölbungen darstellt.
In 7 ist der Einlassdruck der Düse, gemessen in psig, gegen den am Flüssigkeitsversorgungseinlass für die zweite Flüssigkeit 110 der Saugstrahlpumpe 68 anliegenden Unterdruck, gemessen in Zoll Quecksilbersäule, aufgetragen. In 7 stellt die Linie A den kreisförmige Auslass, Linie B den doppelt-elliptischen Auslass, Linie C den einfach elliptischen Auslass und Linie D den Auslass der vorliegenden Erfindung dar. Wie dieser Auftragung zu entnehmen ist, wird mit der Düse 10 der vorliegenden Erfindung ein signifikant höherer Unterdruck erhalten als mit den anderen Düsenauslasskonfigurationen. Wegen der positiven Korrelation zwischen einem höheren Unterdruck und dem Mitreißen bedeutet der festgestellte höhere Unterdruck der zweiten Flüssigkeit, dass die Saugstrahlpumpe 68 größere Mengen der zweiten Flüssigkeit mit der ersten Flüssigkeit vermischen kann und ein stärkeres Mitreißen ermöglicht. Bei den durchgeführten Prüfungen war die Druckrückgewinnung bei der Düse 10 der vorliegenden Erfindung bei visueller Beobachtung größer als bei den anderen Düsenkonfigurationen.

Claims

Verbesserte Flüssigkeitsmischdüse, aus der eine erste Flüssigkeit zur Mischung mit einer zweiten Flüssigkeit, welche außerhalb der Düse ist, fließt, wobei die Düse aufweist: einen Düsenkörper (20), der ein Düsen-Einlass-Ende (22) und ein Düsen-Auslass-Ende (24) hat; einen Hohlraum (26), der sich vom Düsen-Einlass-Ende (22) durch den Düsenkörper (20) bis zum Düsen-Auslass-Ende (24) erstreckt; wobei der Hohlraum eine Düsen-Einlass-Öffnung (30) am Düsen-Einlass-Ende definiert; der Hohlraum weiterhin eine Düsen-Auslass-Öffnung (40) am Düsen-Auslass-Ende definiert; die Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung (40) eine im wesentlichen kreisförmigen zentralen Teil (42) und mindestens drei Vorwölbungen (50), welche sich von einem Umfang des zentralen Teils (42) ausdehnen, hat; jede der mindestens drei Vorwölbungen (50) gemessen in radialer Richtung von dem Teil eine radiale Abmessung und gemessen in einer Richtung senkrecht zur radiale Abmessung eine tangentiale Abmessung hat; jede der mindestens drei Vorwölbungen proximal ein Vorwölbungs-Verbindungs-Ende (56) zum zentralen Teil (42) und distal ein Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende (58) zum zentralen Teil hat; die mindestens drei Vorwölbungen (50) gleichmäßig über dem Umfang (44) des zentralen Teils (42) verteilt sind; jede der mindestens drei Vorwölbungen (50) verhältnismäßig kleiner als der zentrale Teil (42) ist; die Düsen-Einlass-Öffnung (30) einen größeren Querquerschnitt als die Düsen-Auslass-Öffnung (40) besitzt; der Hohlraum mindestens teilweise konisch ist und der Konus einen weichen Übergang zwischen der Düsen-Einlass-Öffnung und der Düsen-Auslass-Öffnung zur Verfügung stellt; dadurch gekennzeichnet, dass jede der mindestens drei Vorwölbungen (50) ein Paar gegenüberliegende Seiten (60) besitzt, welche sich zwischen den Vorwölbungs-Verbindungs-Ende (56) und dem Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende (59) erstrecken, wobei die gegenüberliegenden Seiten (60) im wesentlichen parallel sind; wobei das resultierende Durchflussmuster der ersten Flüssigkeit nach der Vorwölbungs-Auslass-Öffnung (40) einen Kernfluss und einen von jeder der mindestens drei Vorwölbungen (50) erzeugten Wirbel beinhaltet.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper (20) im wesentlichen zylindrisch ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei die Düsen-Einlass-Öffnung (30) eine Querschnittsform besitzt, welche im wesentlichen kreisförmig ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei die tangentiale Abmessung jeder der mindestens drei Vorwölbungen (50) am Vorwölbungs-Verbindungs-Ende verhältnismäßig kleiner als der Durchmesser des zentralen Teils (42) ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der radialen Abmessung zur tangentialen Abmessung 1 ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der radialen Abmessung zur tangentialen Abmessung 2 ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende (58) gerundet ist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Vorwölbungs-Hochpunkt-Ende (58) im wesentlichen flach ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der radialen Abmessung zur tangentialen Abmessung kleiner als 1 ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei: die radialen Abmessungen und die tangentialen Abmessungen der mindestens drei Vorwölbungen im wesentlichen gleich sind; und die mindestens drei Vorwölbungen eine gleichartige Querschnittsform besitzen.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der radialen Abmessungen zu den tangentialen Abmessungen größer als 1 ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der radiale Abmessung zur tangentialen Abmessung zwischen einem Verhältnis von ungefähr 1 und einem Verhältnis von ungefähr 2 für benachbarte Vorwölbungen der mindestens drei Vorwölbungen alterniert, außer für Düsen, welche eine ungerade Anzahl von Vorwölbungen besitzen, haben zwei benachbarte Vorwölbungen notwendigerweise jede ein Verhältnis von 1 oder 2.
Düse nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung 6 Vorwölbungen hat.
Düse nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsform der Düsen-Auslass-Öffnung 8 Vorwölbungen hat.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Konus zur Konvergenz der wirbelinduzierten Strömungen der mindestens drei Vorwölbungen an einem vorbestimmten Punkt nach der Düsen-Auslass-Öffnung vorgesehen ist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Vorwölbungen normal zur Längsachse der Düse sind.
Verfahren zur Wirbelinduzierung und zur Erzeugung eines chaotisch turbulenten Flusses, welches Anwendung der Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.