DE7039035U - Vorrichtung zum mischen einer den stroemungswiderstand vermindernden suspension - Google Patents
Vorrichtung zum mischen einer den stroemungswiderstand vermindernden suspensionInfo
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Description
1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.
Vorrichtung zum Mischen einor den Strömungswiderstand vermindernden
Suspension 'Jt
Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen
einer den Strömungswiderstand von Strömungsmitteln in einer Rohrleitung vermindernden Suspension von feinen Polyäthylenoxidteilchen
mit dem Strömungsmittel, die in die Grenzschicht zwischen der Rohrleitung und dem Strömungsmittel einspritzbar
ist.
Beispiele für eine Verminderung des Strömungswiderstandes sind in den US-Patentschriften 3 290 883 "Drag Reduction in Hydraulic
Equipment", 3 303 810 "Additive Drag Reduction with Recirculation" und 3 303 811 "Method and Apparatus for Drag Reduction"
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aufgezeigt. Die neuerungsgemäße Weiterbildung kann auch für irgendwelche
anderen Anwendungen benutzt werden, in denen ein Molekül mit hohem Molekulargewicht und linearer Kettenbildung in
einer Lösung für eine spätere Verwendung suspendiert werden soll.
Es hat sich gezeigt, daß genügend Zeit während der Hydratisierperiode
vorhanden sein muß, damit nahezu das gesamte polymere Additiv, das in der Mischung vorhanden ist, gleichmäßig gelöst
wird. Bei einer ungenügenden Hydratisierungszeit werden die strömungswiderstandsvermindernden Eigenschaften des Produktes
nicht vollständig entwickelt. Bei vorzeitiger Injektion in die Grenzschicht ergibt sich eine bemerkenswert geringere Verminderung
des Strömungswiderstandes, es sei denn, es wird überschüssiges Polymer eingesetzt. Hieraus folgt, daß die Strömungswiderstands
vermindernden Additive in unwirksamer Weise eingesetzt werden, wenn die Zeit für die Hydratisierung zu kurz ist. Von besonderer
Bedeutung ist das Problem in den Fällen, wo Beschränkungen bezüglich der Abmessung oder des Gewichtes der Vorrichtung
oder der Zusammensetzung der Mischung bestehen. In solchen Fällen
ist es wünschenswert, das Endprodukt kontinuierlich und wirksam
in situ aus einem minimalen Vorrat des widerstandsverminderten
Additivs durch Vorrichtungen zu erzeugen, die es mit einem Lösungsmittel mischen, das aus dem umgebenden Medium erhalten wird.
Die Betonung von Gewichts- .und Größeneinsparungen in derartigen Systemen hatte bisher zur Folge, daß keine ausreichende Hydratisierung
bei dem für Strömungswiderstandsverminderung erforderlichen Durchsatz erreicht wurde.
Andere Probleme entstehen ebenfalls beim kontinuierlichen Mischen eines polymeren, den Strömungswiderstand vermindernden Additives
in situ, zur Erzeugung eines wirksamen Produktes für die Injektion in die Grenzschicht. Wirksame Additive sind sehr hochmolekulare
Polymere, da sie den Vorteil bieten, mit äußerst geringer Konzentration eine vergleichsweise hohe Verminderung des Strömungswiderstandes
zu ergeben. Derartige Polymere werden durch einwirkende
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Scherkräfte abgebaut und schließen daher beim Mischen mit dem flüssigen Lösungsmittel, das erforderlich ist, um die Lösungsgeschwindigkeit zu erhöhen, kräftiges Rühren aus. Weiterhin behindert
die relativ hohe Viskosität dieser Additive den Hydratisierungsvorgang, da hochviskose Materialien schwer gleichmäßig
in einem flüssigen Lösungsmittel zu dispergieren sind.
Aufgabe der Neuerung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Mischen einer Suspension eines Additivs oder Zusatzes wie feine
Polyäthylenoxidteilchen mit einer Flüssigkeit zum Einspritzen dieser 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. Die auftretende Hydratisierung soll dabei unmittelbar vor der Einspritzung erfolgen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Polyäthylenoxidteilchen
enthaltender Speichertank mit einem langgestreckten, sehmalen Auslaß versehen ist. der seitlich in eine Mischkammer
hineinführt, in der die Polyäthylenoxidteilchen mit einem Strömungsmittelstrahl mischbar sind, und die Mischkammer mit einem
Hydrationstank verbunden ist, in dem ein bienenwabenförmiger Einsatz angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der Neuerung werden insbesondere die Vorteile erreicht, daß das lösliche polymere, den Strömungsxiiderstand vermindernde
Additiv schnell mit einem flüssigen Lösungsmittel gemischt wird und diese Mischung von der Injektion in die Grenzschicht eine
ausreichende Zeit hydratisieren kann, um das in der Mischung vorliegende polymere Additiv im wesentlichen zu lösen. Die Neuerung
findet speziell Anwendung in Systemen, in denen die Flüssigkeit Wasser ist und das Additiv das wasserlösliche hochmole-
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kulare lineare viskoelastische polymere Polyäthylenoxid ist,
das in der Form einer Dispersion von Teilchen mit kleiner Korngröße vorliegt. Der prozentuale Anteil des gelösten Polymeren
in der Mischung ist eine Funktion der Zeit nach Einbringen einer bestimmten Menge des Polymeren in eine bestimmte
Menge Wasser-. Die Lösungsgeschwindigkeit des Polymeren ist im Anfang hoch und fällt anschließend in steigendem Maße ab. Entsprechend
hat die Kurve in einer graphischen Darstellung mit logarithmischer Skala, in der als Ordinate Prozent gelöstes
Polymer und als Abszisse die Zeit eingetragen ist, einen steilen Anstieg, der einer schnellen Lösung entspricht. Dann zeigt
sich innerhalb einer kurzen Zeit ein gerundetes Mittelstück, das einer mittleren Lösungsgeschwindigkeit entspricht, und ein
kleines geneigtes Endstück, das sich der 100 % oder vollständigen Lösungslinie weitgehend asymptotisch nähert und einer
langsamen Lösungsgeschwindigkeit entspricht.
Die Neuerung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schaubildliche oder schematische Darstellung
der Neuerung,
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des in der Vorrichtung
nach Fig. 1 verwendeten Speichertanks für die Polymersuspension, und
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1.
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Die in Pig. 1 dargestellte Ausführungsform ist eine Vorrichtung
zum Mischen von polymeren Additiven mit einer Flüssigkeit zur Injektion dieser Mischung oberhalb oder unterhalb des Zuführungsverteilers 1. In Fig. 1 ist zwar gezeigt, daß diese Mischanordnung
an einer Rohrleitung angeschlossen ist, sie kann aber auch an irgendeiner anderen Stelle angeschlossen seinä wo eine Flüssigkeit
entlang einer festen Oberfläche fließt, wie etwa der Seitenwand eines Behälters (Schiffes oder Fahrzeuges). Beispiele hierfür
sind in den eingangs genannten Patentschriften dargelegt.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein Zuführungsverteilerrohr
1 auf einer Leitung 2 angeordnet, und durch einen auf dem Umfang befindlichen Schlitz 3 in der Leitungswand wird Wasser in
das Zuführungsverteilerrohr eingelassen. Dieses Wasser wird einer Rohrleitung h 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 danach spritzt das
Wasser in die Mischkammer hinaus und verbreitert sich in Flußrichtung.
Ein Speichertank 8 enthält das polymere Material Polyäthylenoxyd in Form feiner fester Teilchen, 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 Bleiazetat oder Zinkjodid zugesetzt ist.
Das spezifische Gewicht des Äthylenglykols ist geringer als das spezifische Gewicht des zugesetzten Polymers. Sin weiteres System
ist die Kombination aus Glyzerin und Alkohol. Um also eine Lösung mit dem richtigen spezifischen Gewicht zu erhalten, wird beispielsweise
eine geeignete Menge an Bleiazetat zugefügt, bis die Lösung das richtige spezifische Gewicht erreicht hat, um das
bestimmte zu verwendende Polymer zu suspendieren. Auf diese Weise kann der polymere Zusatz auf unbestimmte Zeit gelagert werden und
steht zu jeder Zeit für eine Verwendung zur Verfügung.
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Ein Teil des Wassers in dem Rohr ^ strömt durch eine Leitung 9
in den Speichertank 8. Hier erzeugt es oberhalb der Trennwand einen Druck, so daß bei Beginn des Betriebes in der Anordnung das
suspendierte Polymer unterhalb der Druckplatte 10 die Membran zerreißt und durch eine Kontakteinrichtung 12 in Form eines Rohrs
herausfließt, um sich Tropfen für Tropfen etwa in der Mitte des Strahls in das fließende Wasser zu mischen. Der Strahl kann sich
erweitern und erzeugt eine sehr turbulente Mischung zwischen dem Wasser und dem Iblymer.
In einer anderen Ausführungsform nach Fig. 2 kann sich die polymere
Suspension in einem Speichertank 13 befinden, der auf der einen Seite einen schmalen Auslaß 14 und in der Wand der anderen
Seite einen Kolben 15 aufweist, über die Auslaßseite des Speichertanks
13 ist eine zerreißbars Membran 11 gespannt, um die Suspensionsflüssigkeit
von dem Wasser zu trennen, wenn die Polymereinspritzanordnung nicht benutzt wird. Auf ähnliche Weise kann aber
auch ein von Hand oder durch eine Mangetspule bedientes Ventil verwendet werden. Wenn die Anordnung benutzt wird, zerreißt die Membran
11 durch die Kraft des Druckes der suspendierten Lösung und die Flüssigkeit fließt aus dem Speichertank 13 heraus und in die
Mischkammer 7.
Unabhängig von der verwendeten Ausführungsform gelangen das unter
hohem Druck befindliche Wasser und das Polymer in einen Hydratationstank
16, sobald sie in der Mischkammer 7 (Fig. 1) gemischt worden sind. Dieser Hydratationstank 16 v/eist einen Einsatz
17 mit zellenförmigen oder bienenwabenartigen Unterteilungen auf, in denen das fein verteilte Polymer genügend Zeit zur
Hydratation mit dem Wasser findet. Da das Polymer fein verteilt ist und an der Düsenöffnung gut mit dem Wasser vermischt wurde,
ist die Hydratationszeit stark vermindert und die Hydratation wird vollständig in dem relativ kleinen Hydratationstank 16
durchgeführt.
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Die Abmessungen des Tanks sind durch den Aufbau des Hydratationstanks 16 nach Fig. 3 stark verkleinert, dereinen bienenwabenartiges
Einsatz 17 aufweist, der sich von der Nähe des einen Endes bis in die Nähe des anderen Endes des Hydrat_ationstanks l6 erstreckt.
Das Polymer und das Wasser durchströmen den bienenwabenartigen
Einsatz 17, wo durch einwirkende Scherkräfte eine innige und schnelle Mischung dieser Substanz bewirkt wird. Jede Zelle
der Bienenwabe bildet einen gleichen Widerstand, so daß die Strömung recht gleichmäßig über den Hydrat . ationstank Io verteilt
wird. Die Durchflußzeit durch den Hydrat ationstank l6 ist
für jedes Wasserpartikelchen etwa gleich. Dieses wäre nicht der
Fall, wenn die Strömung in gerader Linie von dem Einlaß 18 zu dem Auslaß 19 hindurchführen würde, wenn sich in dem Hydrat ationstank
kein bienenwabenartiger Einsatz I7 befinden würde. Durch
diese Anordnung wird eine sehr hohe Ausnutzung des Volumens des
Hydrat ationstanks 16 erzielt. Die hydratisierte Lösung wird dann
mit Hilfe der Nebenleitung 22 zu der geeigneten Injektionskonzentration
verdünnt oder kann direkt injiziert werden. Das Verfahren
im Hydrat ationstank zu einer hohen Konzentration zu mischen,
vermindert dessen erforderliches Volumen erheblich, während es die Herstellung wirksamer Mischungen ermöglicht. Das hydratisierte
Polymer gelangt unter verändertem Druck in eine Injektionsvorrichtung 20 und sodann zu dem Schlitz 21, der zu der Grenzfläche
zwischen der festen Oberfläche und dem Wasser führt, das sich relativ zu der festen Oberfläche bewegt. Die Einführung des hydratisierten
Polymers an dieser Grenzfläche ermöglicht es, daß das Polymer entlang des festen Körpers fließt, und das Wasser strömt
mit sehr \*iel weniger Turbulenz an der überzogenen Grenzfläche vorbei. Hierdurch ist die erforderliche Kraft, um eine bestimmte
Flüssigkeitsmenge an einem Ort an der festen Oberfläche vorbeizubewegen, 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.
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Die Vorteile der Direkteinspritzung der Polymerlösung in die
Grenzschicht und Verdünnung an dieser Stelle werden durch das folgende Beispiel veranschaulicht.
EineWassertunneleinrichtung, die im Eintrittsbereich eines
Rohres (Durchmesser 3,2 cm) eine Strömung aufwies, um eine sich bewegende Grenzschicht zu erzeugen, wurde über eine Anlegekanteninjektion
mit einer 20 %-igen Aufschlämmung eines Polyathylenoxid-Koaguliermittels
in einer Mischung aus Glyzerin und Alkohol versetzt. Das Mol-Gewicht beträgt ca. 5 x 10 ■
Die Injektionsdurehflußleistung betrug 1,13 l/Min, auf 2,5Ί cm
des Umfangs bei einer Eingangskonzentration von 5000 ppm Polyäthylenoxyd. Das Polyäthylenoxyd wurde ungefähr 10 Sekunden vor
der Injektion hydratisiert, wobei etwa ko % in Lösung ging. Das
sind etwa 2000 ppm Pdyäthylenoxyd. Der Reibungsfaktor für dieses
System war 5,17 x 10"^ (4-fache Wand-Schubspannung), geteilt
durch den Staudruck. Die Reynold-Zahl wurde mit k,08 χ 10-* bestimmt
(Durchschnittsgeschwindigkeit χ Durchmesser: kinematische Viskosität). Dieser Reibungsfaktor war etwa der gleiche, wie er bei einer
Injektionsgeschwindigkeit von 6,72 l/Min, auf 2,5^ cm des Umfangs
und 600 ppm vollständig hydratisiertem Koaguliermittel erhalten wurde. Dementsprechend ergibt die'direkte Injektion der
konzentrierten partiell hydratisieren Lösung in die Grenzschicht, Verglichen mit der Injektion einer geringer konzentrier"
ten Lösung von 600 ppm hydratisiertem Polyäthylenoxyd;, eine Verminderung von 6 ; 1 der Durchflußleistung mit einer Verminderung
von 1,8 : 1 für den Polymerverbrauch. Dementsprechend wird eine Verminderung der Durchflußerfordernisse erreicht. Das Ergebnis
ist, daß nur eine Pumpe geringerer Kapazität für die Mischung des Polymeren erforderlich ist und eine Einsparung an Polymeren
für eine gegebene Leistung möglich wird.
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Claims (2)
1. Vorrichtung zum Mischen einer den Strömungswiderstand von
Strömungsmitteln in einer Rohrleitung vermindernden Suspension von feinen Polyäthylenoxidteilchen mit dem Strömungsmittel
, die in die Grenzschicht zwischen der Rohrleitung und dem Strömungsmittel einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet
, daß ein die Polyäthylenoxidteilchen enthaltender Speichertank (8, 13) mit einem langgestreckten,
schmalen Auslaß (12, 14) versehen ist, der seitlich
in eine Mischkammer (7) hineinführt, in der die Polyäthylenoxidteilchen
mit einem Strömungsmittelstrahl mischbar sind, und die Mischkammer (7) mit einem Hydrationstank
(16) verbunden ist, in dem ein bienenwabenförmxger Einsatz (17) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet , daß der Speichertank (8, 13)
an seinem einen Ende eine Druckplatte (10, 15) und an seinem anderen Ende eine Membran (11) aufweist, die bei Druckausübung
auf die Druckplatte und die Polyäthylenoxidteilchen zerstörbar ist und den Austritt der Pblyäthylenoxidteilchen
in den Auslaß (12, 14) des Speichertanks (83 13)
frei gibt.
■ - e e
-'TQj.ohn.Q't , dsft dJ-Θ Prix c tcD 13.1/· Ij c (10^ duFc-ii'· ο,θώ
»
. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
, daß die Druckplatte (15) durch einen Motor (25; betätigt ist.
SdiüiZünspr. $ If. Bl. ^gestrichen
-5. B. TT
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