EP0196575B1 - Vorrichtung zum Durchmischen von zumindest einem Strömungsmedium - Google Patents

Vorrichtung zum Durchmischen von zumindest einem Strömungsmedium Download PDF

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EP0196575B1
EP0196575B1 EP86103912A EP86103912A EP0196575B1 EP 0196575 B1 EP0196575 B1 EP 0196575B1 EP 86103912 A EP86103912 A EP 86103912A EP 86103912 A EP86103912 A EP 86103912A EP 0196575 B1 EP0196575 B1 EP 0196575B1
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EP
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pump
pump impellers
currents
fluid
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Angelo Cadeo
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Tetra Pak Processing Equipment AG
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Miteco AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/40—Mixers with rotor-rotor system, e.g. with intermeshing teeth
    • B01F27/41—Mixers with rotor-rotor system, e.g. with intermeshing teeth with the mutually rotating surfaces facing each other
    • B01F27/412—Mixers with rotor-rotor system, e.g. with intermeshing teeth with the mutually rotating surfaces facing each other provided with ribs, ridges or grooves on one surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/81—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis the stirrers having central axial inflow and substantially radial outflow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/84—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with two or more stirrers rotating at different speeds or in opposite directions about the same axis

Definitions

  • the invention relates to a device for mixing at least one flow medium, wherein at least two partial flows of the flow medium are brought together to produce a very strongly turbulent flow.
  • Such a device is known from US Pat. No. 3,147,957 which has at least two pump impellers for the partial flows which are parallel and coaxial to one another, adjacent pump impellers being opposed, each pump impeller being assigned one of the partial flows.
  • the mixing of the flow media or media takes place within the device.
  • the mechanical shear action acts on the medium.
  • the impellers are provided with grooves or ribs and the impellers are made of hard metal (carborundum) in order to exert the greatest possible shear effects on, for example, the liquids to be mixed.
  • the effect of such a known device with two counter-rotating impellers is such that only the relative speed due to the two medium disks of opposite direction of rotation changes.
  • the aim is to create a device with which the aforementioned disadvantages can be avoided so that great turbulence can be achieved in an economical manner.
  • the pump impellers can be manufactured much cheaper since they are no longer subject to the abrasions mentioned. The shear effect on the media or media no longer has to be acted upon, in any case no special precautions have to be taken to achieve this.
  • the pump impellers are provided with forward-curved blades, so that they thereby become pure centrifugal impellers, which only have the task of converting the mechanical energy into hydraulic energy with the highest possible efficiency.
  • the two partial flows are only mixed outside the pump impellers in that large cross flows (transverse to the two flowing medium disks) and consequently large turbulences occur in a small ring outside the device.
  • the very high mixing effect is achieved by counteracting two cross flows with the high tangential velocity.
  • the two pump impellers with forward curved blades and opposite direction of rotation are necessary for this.
  • the tangential speed of the medium emerging from each pump impeller cannot have the same high value (at a given speed) since the tangential speed of the emerging medium is only of the same size like the peripheral speed of the pump impeller.
  • the two medium disks meet at their tangential speeds outside the device, so that the large transverse flows form, which result in very strong turbulence, which result in the at least one flow medium being mixed as intensively as possible.
  • Fig. 1 there are two pump impellers 1 and 2 which are parallel and coaxial to each other. Both pump impellers 1 and 2 rotate about one and the same axis 3, but in the opposite direction of rotation.
  • a first partial flow flows in the direction of the arrows 4 to the pump impeller 1, and a second partial flow flows in the direction of the arrows 5 to the second pump impeller 2.
  • the first partial flow emerges as a rotating medium disk 6 from the pump impeller 1, and the second partial flow likewise emerges as a rotating medium disk 7 from the pump impeller 2. Both media discs 6 and 7 rotate in opposite directions.
  • the two pump impellers 1 and 2 are expediently designed identically to one another and consequently, apart from the direction of rotation, have the same hydrodynamic characteristics.
  • the two oppositely rotating liquid disks 6 and 7 touch each other at point 8, the two opposite circumferential components of the two liquid disks meeting each other and canceling each other practically immediately.
  • the two liquid disks 6 and 7 have low radial speed components that determine the throughput of the pump impellers. Because of the sudden abolition of the mutually opposed tangential speed components, oscillating transverse movements of the liquid particles occur, which result in a very large amount of turbulence in the liquid region 9.
  • the two pump impellers 1 and 2 are shown somewhat more clearly.
  • the pump impeller 1 is supported by a hollow shaft 10, and the pump impeller 2 is seated on an inner shaft 11 which is surrounded by the hollow shaft 10.
  • the pump impeller 1 has a suction nozzle 12 for the partial flow 4
  • the pump impeller 2 has a suction nozzle 13 for the partial flow 5. Both pump impellers 1 and 2 rotate in opposite directions about the axis 3.
  • the two pump impellers 1 and 2 are driven by a single drive motor 14 for rotating in opposite directions.
  • the pump impeller 1 is seated on the hollow shaft 10 and the pump impeller 2 is carried by the inner shaft 11.
  • the drive motor 14 drives via a belt 15 on pinion 16 and 17.
  • the pinion 17 is rotatably connected to the inner shaft 11.
  • the pinion 16 is rotatably connected to a wheel 18 which meshes with a wheel 19 which is rotatably connected to the hollow shaft 10. In this way, the two shafts 10 and 11 are driven in opposite directions.
  • the two pump impellers 1 and 2 are driven in opposite directions by two drive motors 20 and 21.
  • the motor 20 drives directly on the inner shaft 11 on which the pump impeller 2 is seated, and the motor 21 drives via a belt 22 on a pulley 23 which is connected to the hollow shaft 10 in a rotationally fixed manner.
  • the two motors 20 and 21 have opposite directions of rotation.
  • the pump impeller 1 is seated on a shaft 24, and the pump impeller 2 is seated on a shaft 25.
  • the two coaxial drive shafts 24 and 25 of the two pump impellers 1 and 2 are thus on opposite sides of the pump impellers.
  • a motor 26 is used to drive the shaft 24 and thus the pump impeller 1
  • a motor 27 is used to drive the shaft 25 and thus the pump impeller 2.
  • An intake port 28 leads to the pump impeller 1 and an intake port 29 leads to the pump impeller 2 merged flow media flow away via a nozzle 30.
  • pump impellers 1 and 2 are designed as centrifugal impellers with forward curved blades, so that the peripheral component of the speed of the emerging medium disks 6 and 7 is very strong has been increased.
  • the circumferential component of the speed (tangential speed) of the two medium disks 6 and 7 can be set correspondingly large by appropriate speed of the pump impellers 1 and 2.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchmischen von zumindest einem Strömungsmedium, wobei zumindest zwei Teilströme des Strömungsmediums zum Erzeugen einer sehr stark turbulenten Strömung zusammengeführt werden.
  • Durch die US-A-3 147 957 ist eine solche Vorrichtung bekannt, die zumindest zwei zueinander parallel und koaxial zueinander liegende Pumpenlaufräder für die Teilströme aufweist, wobei benachbarte Pumpenlaufräder gegenläufig sind, wobei jedem Pumpenlaufrad einer der Teilströme zugeordnet ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung findet das Durchmischen des oder der Strömungsmedien innerhalb der Vorrichtung statt. Beim Mischen in dieser bekannten Vorrichtung wird mit der mechanischen Scherwirkung auf das Medium eingewirkt. Man versieht die Laufräder mit Rillen oder Rippen und stellt die Laufräder aus Hartmetall (Karborundum) her, um möglichst grosse Scherwirkungen auf z.B. die zu mischenden Flüssigkeiten auszuüben. Die Wirkung einer solchen bekannten Vorrichtung mit zwei gegenläufigen Laufrädern ist hierbei so, dass durch die beiden entstehenden Mediumscheiben gegensätzlicher Drehrichtung lediglich die Relativgeschwindigkeit sich ändert. Die gleiche Wirkung kann man bei einer Vorrichtung mit nur einem Laufrad erzielen, wenn man das Laufrad mit doppelter Drehzahl rotieren lässt. Bei der bekannten Vorrichtung unterliegen die Laufräder erheblicher Abnutzung (Erosion, Korrosion, Kavitation) und haben trotz teurer Herstellung eine Standzeit, die man gern erhöhen würde.
  • Es wird die Schaffung einer Vorrichtung bezweckt, mit der die vorerwähnten Nachteile vermieden werden können, damit in wirtschaftlicher Weise grosse Turbulenzen erzielt werden können.
  • Die erfindungsgemässe Ausbildung der Vorrichtung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1.
  • Es wird somit ein anderes Mischverfahren benutzt als bei der erwähnten bekannten Vorrichtung. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung können die Pumpenlaufräder viel billiger hergestellt werden, da sie nicht mehr den erwähnten Abnutzungen unterliegen. Es muss nicht mehr mit der Scherwirkung auf das oder die Medien eingewirkt werden, jedenfalls müssen keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, um dies zu erreichen. Die Pumpenlaufräder werden erfindungsgemäss mit vorwärts gekrümmten Laufschaufeln versehen, so dass sie hierdurch zu reinen Zentrifugalrädern werden, welche nur die Aufgabe haben, die mechanische Energie mit möglichst hohem Wirkungsgrad in hydraulische Energie umzuformen. Die Mischung der beiden Teilströme erfolgt erfindungsgemäss erst ausserhalb der Pumpenlaufräder dadurch, dass grosse Querströmungen (quer zu den beiden strömenden Mediumscheiben) und demzufolge grosse Turbulenzen in einem kleinen Ring ausserhalb der Vorrichtung entstehen. Diese vorerwähnten Querströmungen wirken als Turbulenzverstärker (siehe hierzu Lueger, Lexikon der Technik, vierte Auflage, Band 1 und 14, Seiten 587 und 589 bzw. Seiten 521, 522). Die vorerwähnten Querströmungen erfolgen bei den vorwärts gekrümmten Laufschaufeln der beiden Pumpenlaufräder mit einer Tangentialgeschwindigkeit, die für den möglichst guten Mischvorgang die wichtigste Geschwindigkeitskomponente ist. Die Radialgeschwindigkeit bestimmt, bei gegebener Geometrie, die Fördermenge jedes Pumpenlaufrades und ist für den Mischvorgang ohne Bedeutung, da die Radialkomponenten beider Pumpenlaufräder gleiche Richtung haben und demzufolge keinen Beitrag zur Turbulenzerhöhung leisten. Ganz anders sind die Verhältnisse bei den Tangentialgeschwindigkeiten beider Pumpenlaufräder, die entgegengerichtet sind. Durch das Gegeneinanderrichten von zwei Querströmungen mit der hohen Tangentialgeschwindigkeit wird der sehr hohe Mischungseffekt erzielt. Notwendig hierfür sind die beiden Pumpenlaufräder mit vorwärts gekrümmten Laufschaufeln und gegensätzlicher Drehrichtung. Bei der bekannten Vorrichtung der US-A-3 147 957 sind gerade Pumpenlaufschaufeln vorhanden und deshalb kann die Tangentialgeschwindigkeit des aus jedem Pumpenlaufrad austretenden Mediums nicht den gleichen hohen Wert haben (bei gegebener Drehzahl), da die Tangentialgeschwindigkeit des austretenden Mediums nur die gleiche Grösse hat wie die Umfangsgeschwindigkeit des Pumpenlaufrades. Demgegenüber treffen bei der erfindungsgemässen Vorrichtung die beiden Mediumscheiben mit ihren Tangentialgeschwindigkeiten ausserhalb der Vorrichtung aufeinander, so dass sich die grossen Querströmungen ausbilden, die eine sehr starke Turbulenz ergeben, die eine möglichst intensive Durchmischung des zumindest einem Strömungsmediums ergeben.
  • In der Zeichnung sind mehrer Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1 zwei Pumpenlaufräder mit Auftreffpunkt und Flüssigkeitsgebiet mit grosser Turbulenz, in schematischer Darstellung,
    • Fig. 2 die zwei Pumpenräder in konstruktiver Ausführung mit Innenwelle und Hohlwelle,
    • Fig. 3 die Vorrichtung mit einem einzigen Antriebsmotor für die beiden Pumpenlaufräder, in schaubildlicher Darstellung,
    • Fig. 4 die Vorrichtung mit zwei Antriebsmotoren für die beiden Pumpenlaufräder, und
    • Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung mit zwei Antriebsmotoren, wobei die beiden Antriebswellen der beiden Laufräder auf voneinander abgewandten Seiten der Laufräder liegen.
  • In Fig. 1 sind zwei Pumpenlaufräder 1 und 2 vorhanden, die parallel und koaxial zueinander liegen. Beide Pumpelaufräder 1 und 2 rotieren um ein und dieselbe Achse 3, aber in gegenläufiger Drehrichtung. Ein erster Teilstrom strömt in Richtung der Pfeile 4 dem Pumpenlaufrad 1 zu, und ein zweiter Teilstrom strömt in Richtung der Pfeile 5 dem zweiten Pumpenlaufrad 2 zu. Der erste Teilstrom tritt als drehende Mediumscheibe 6 aus dem Pumpenlaufrad 1 aus, und der zweite Teilstrom tritt ebenfalls als drehende Mediumscheibe 7 aus dem Pumpenlaufrad 2 aus. Beide Medienscheiben 6 und 7 rotieren gegenläufig. Die beiden Pumpenlaufräder 1 und 2 sind zweckmässig einander gleich ausgebildet und haben demzufolge, von der Drehrichtung abgesehen, die gleichen hydrodynamischen Charakteristiken. Die beiden entgegengesetzt drehenden Flüssigkeitsscheiben 6 und 7 berühren einander im Punkt 8, wobei die beiden einander entgegengerichteten Umfangskomponenten der beiden Flüssigkeitsscheiben aufeinander treffen und sich praktisch unverzüglich aufheben. Die beiden Flüssigkeitsscheiben 6 und 7 haben geringe radiale Geschwindigkeitskomponenten, die den Durchsatz der Pumpenlaufräder bestimmen. Wegen der plötzlichen Aufhebung der einander entgegengerichteten tangentialen Geschwindigkeitskomponenten entstehen schwingende Querbewegungen der Flüssigkeitsteilchen, die im Flüssigkeitsbereich 9 eine sehr grosse Turbulenz ergeben.
  • In Fig. 2 sind die beiden Pumpenlaufräder 1 und 2 etwas deutlicher dargestellt. Das Pumpenlaufrad 1 wird von einer Hohlwelle 10 getragen, und das Pumpenlaufrad 2 sitzt auf einer Innenwelle 11, die von der Hohlwelle 10 umgeben ist. Das Pumpenlaufrad 1 hat einen Saugstutzen 12 für den Teilstrom 4, und das Pumpenlaufrad 2 hat einen Saugstutzen 13 für den Teilstrom 5. Beide Pumpenlaufräder 1 und 2 rotieren gegenläufig um die Achse 3.
  • Beim Beispiel nach Fig. 3 werden die beiden Pumpenlaufräder 1 und 2 von einem einzigen Antriebsmotor 14 zum gegenläufigen Umlaufen angetrieben. Wie schon erwähnt, sitzt das Pumpenlaufrad 1 auf der Hohlwelle 10, und das Pumpenlaufrad 2 wird von der Innenwelle 11 getragen. Der Antriebsmotor 14 treibt über einen Riemen 15 auf Ritzel 16 und 17. Das Ritzel 17 ist mit der Innenwelle 11 drehfest verbunden. Das Ritzel 16 ist mit einem Rad 18 drehfest verbunden, das mit einem Rad 19 kämmt, das mit der Hohlwelle 10 drehfest verbunden ist. Auf diese Weise werden die beiden Wellen 10 und 11 gegenläufig angetrieben.
  • Beim Beispiel nach Fig. 4 werden die beiden Pumpenlaufräder 1 und 2 durch zwei Antriebsmotore 20 und 21 gegenläufig angetrieben. Der Motor 20 treibt direkt auf die Innenwelle 11, auf dem das Pumpenlaufrad 2 sitzt, und der Motor 21 treibt über einen Riemen 22 auf eine mit der Hohlwelle 10 drehfest verbundene Riemenscheibe 23. Die beiden Motore 20 und 21 haben gegenläufige Drehrichtungen.
  • Beim Beispiel der Vorrichtung nach Fig. 5 sitzt das Pumpenlaufrad 1 auf einer Welle 24, und das Pumpenlaufrad 2 sitzt auf einer Welle 25. Die beiden zueinander koaxialen Antriebswellen 24 und 25 der beiden Pumpenlaufräder 1 und 2 liegen somit auf voneinander abgewandten Seiten der Pumpenlaufräder. Zum Antrieb der Welle 24 und damit des Pumpenlaufrades 1 dient ein Motor 26, und zum Antrieb der Welle 25 und damit des Pumpenlaufrades 2 dient ein Motor 27. Zum Pumpenlaufrad 1 führt ein Ansaugstutzen 28, und zum Pumpenlaufrad 2 führt ein Ansaugstutzen 29. Die beiden zusammengeführten Strömungsmedien strömen über einen Stutzen 30 weg.
  • Bei einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnten auch mehr als zwei Pumpenlaufräder vorhanden sein, wobei immer benachbarte Pumpenlaufräder gegenläufig sind. Mit drei solchen Pumpenlaufrädern könnten dann drei Teilströme als abwechselnd in unterschiedliche Drehrichtung drehende Flüssigkeitsscheiben erzielt werden, die an einem Punkt zusammengeführt werden. Die Pumpenlaufräder 1 und 2 sind als Zentrifugalräder mit vorwärts gekrümmten Laufschaufeln ausgebildet, so daß die Umfangskomponente der Geschwindigkeit der austretenden Medium-scheiben 6 und 7 sehr stark gesteigert worden ist. Durch entsprechende Drehzahl der Pumpenlaufräder 1 und 2 kann die Umfangskomponente der Geschwindigkeit (Tangentialgeschwindigkeit) der beiden Mediumscheiben 6 und 7 entsprechend gross eingestellt werden.

Claims (2)

  1. Vorrichtung zum Durchmischen von zumindest einem Strömungsmedium, wobei zumindest zwei Teilströme (4, 5) des Strömungsmediums zum Erzeugen einer stark turbulenten Strömung (9) zusammengeführt werden, mit zumindest zwei zueinander parallel und koaxial zueinander liegenden Pumpenlaufrädern (1, 2) für die Teilströme (4, 5), wobei benachbarte Pumpenlaufräder (1, 2) gegenläufig sind, wobei jedem Pumpenlaufrad einer der Teilströme zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenlaufräder (1, 2) Zentrifugalräder mit vorwärts gekrümmten Laufschaufeln sind, so dass die Teilströme (4, 5) als drehende Mediumscheiben (6, 7) aus den Zentrifugalrädern austreten, so dass benachbarte Mediumscheiben (6, 7) an einer Stelle (8) ausserhalb der Zentrifugalräder, zum Ausbilden einer starken turbulenten Strömung in einem Bereich (9) ausserhalb der Zentrifugalräder, aufeinandertreffen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Pumpenlaufräder (1, 2) hinsichtlich Förderleistung und Umfangsgeschwindigkeit der austretenden rotierenden Mediumscheiben (6, 7) einander gleich sind.
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EP0196575A2 EP0196575A2 (de) 1986-10-08
EP0196575A3 EP0196575A3 (en) 1988-11-30
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