EP0510256A1 - Method and apparatus for crushing, dispersing, wetting and mixing of pumpable, non-magnetic multiphase mixtures - Google Patents
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- EP0510256A1 EP0510256A1 EP91120656A EP91120656A EP0510256A1 EP 0510256 A1 EP0510256 A1 EP 0510256A1 EP 91120656 A EP91120656 A EP 91120656A EP 91120656 A EP91120656 A EP 91120656A EP 0510256 A1 EP0510256 A1 EP 0510256A1
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- B01F33/451—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers wherein the mixture is directly exposed to an electromagnetic field without use of a stirrer, e.g. for material comprising ferromagnetic particles or for molten metal
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- B02C17/16—Mills in which a fixed container houses stirring means tumbling the charge
- B02C17/166—Mills in which a fixed container houses stirring means tumbling the charge of the annular gap type
Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for crushing, dispersing, wetting and mixing pumpable non-magnetic multiphase mixtures by means of electromagnetic energy, which acts on magnetic working bodies within substances in a closed volume, the working bodies being influenced by an electromagnetic, local and / or move differently over time.
- agitator ball mills are used in various technical designs.
- the energy used is only indirectly transferred to the multi-phase mixtures via several intermediate stages, starting with the electric drive, via a rotating agitator and one or more grinding media. This results in high energy losses, which have to be dissipated as thermal losses via complex cooling systems.
- the stationary main element is, for example, an electrical excitation arrangement which carries an excitation winding and which has an air gap space.
- a material processing method for powders, liquids, gases and their mixtures and a device for carrying out the method in which the material to be processed is introduced into a chamber together with magnetic elements made of hard magnetic material, which are under the influence of an alternating electromagnetic field.
- the alternating field is generated by means of an electrical field winding in a room in which the chamber is arranged.
- the field winding surrounds the chamber.
- the magnetic elements are arranged in the chamber in a layer of a predetermined thickness, this being determined by the operating conditions of the magnetic field, the size of the magnetic elements, their density and their magnetic sizes, such as induction and coercive force, and by gravity.
- the machining material of any shape is first introduced into a chamber and then the ferromagnetic elements made of a hard magnetic material.
- the chamber is then brought into a room in which an alternating magnetic field is generated.
- the magnetic field sets the ferromagnetic elements in a chaotic movement, in which they rotate about their axes and collide with each other, whereby the material is processed accordingly.
- the magnetic elements are made of a hard magnetic material with a coercive force of more than 50 Oe and have a non-spherical shape. Their average size is in the range of at least a few tenths of a micrometer up to a maximum of 2.5 cm.
- the magnetic field strength of the alternating field is over 0.01 Oe and its frequency up to 1 MHz.
- the devices with which the above-mentioned working methods are implemented contain an electrical solenoid winding and a working chamber made of a non-magnetic material, arranged in the inner and outer space of the solenoid coil, in which a sinusoidal alternating magnetic field is generated.
- the magnetic elements made of barium hexaferrite or an "Alnico-8" alloy or iron-cobalt-nickel-aluminum alloy of indefinite shape introduced into the chamber, due to their movements under the influence of the magnetic field, cause the machining material to be mixed or comminuted.
- the number of magnetic elements in the chamber is chosen so that they are sufficiently far apart from one another during their movements in the chamber and do not wear one another, this number being less than the number of elements in their single-layer arrangement over the entire floor area the chamber.
- a disadvantage of the known methods is the low energy density, which is caused by the relatively small number of magnetic elements per volume of the working chamber, which is introduced into the processing operations.
- large energy requirements arise because not the the entire volume of the magnetic field is used, per unit of the processed product, which increases the cost of material processing. It can be seen that an increase in the number of magnetic elements in the working chamber leads on the one hand to their high wear, whereby the processing product is contaminated and the processing costs increase due to the high consumption of the expensive magnetic bodies, and on the other hand the lower-lying magnetic elements move less intensely than the upper ones as a result of gravity acting on the underlying elements.
- an air gap space is available as a work space. It contains a large number of ferromagnetic working bodies, which act in the conventional sense as grinding media, and the substances or multiphase mixtures to be processed.
- the high working body filling levels result in high working body wear due to the frequent working body collisions.
- the required local field strength gradients are only possible radially inwards in the case of alternating field excitation systems.
- the field strength drops exponentially over the inner extent of the excitation system.
- the working body movement and thus the machining effectiveness radially inward is becoming less and less. This enables dead space areas in batch operation and bullets with continuous material replenishment.
- the translatory transport movement which is constant over time, is required in order to use a stationary electromechanical device that can be used for mechanical processing To guarantee energy turnover in the work area. Therefore - as is known from DD-PS 240674 - for intensive use of the supplied electrical energy and ensuring sufficiently high energy densities in the work space, it is only sensible to form the exciter arrangement on both sides opposite and insecure, to design the working chamber equally unsecured and the excitation winding with regard to its dimensioning, switching and To design the feed so that there is only a single direction of movement of the electromagnetic field penetrating the working chamber. This results in endless tracks, effective energy conversion and corresponding treatment effects for all ferromagnetic components of the work chamber content.
- the self-locking in the direction of movement of the excitation field is realized by a stringing of a plurality of geometrically finite excitation system parts provided with gap spacing.
- Such an arrangement is suitable for the dry fine and very fine comminution of granular materials, but not for the mechanical processing of pumpable multiphase mixtures.
- the object of the invention is to improve a method of the type described above for processing non-magnetic multiphase mixtures so that the wear of the magnetic working bodies is largely avoided, emissions from the working space are greatly reduced and the yield of microfinished multiphase mixtures is increased with little energy expenditure.
- This object is achieved according to the invention in such a way that the multiphase mixture is surrounded on two sides by two rotationally symmetrical, self-contained excitation systems, which are located at a constant distance from each other, each of which has an electromagnetic circuit that rotates in the same direction, penetrates the multiphase mixture in one direction, and changes over time Generate field and lead tangentially to the volume that the multi-phase mixture occupies between the opposing excitation systems, and that a multi-phase mixture stream to be prepared is continuously supplied to the volume at an angle of 90 ° to the rotating electromagnetic field.
- a device for processing multiphase mixtures is also to be created, which has a simple structural design and layout of the electromagnetic excitation systems and the working chamber with an optimal energy yield compared to the energy expenditure for the movement of the working bodies.
- annular gap chamber hermetically sealed except for the inlet and outlet forms the working chamber and consists of a double tube, the outer tube of which is surrounded by an external excitation system and the inner tube of which is surrounded by an internal excitation system, so that the working bodies are located within the annular gap chamber flowing multi-phase mixture in the direction of the rotating fields of the excitation systems and that the inflow and outflow zones for the multiphase mixture in the annular gap chamber are free of working bodies.
- the advantages of the invention are that an energy adapted to the process can be optimally adjusted and difficult dispersion processes, wetting and mixing conditions can be carried out or maintained.
- the device can be integrated into a fully automated process control as an element of the pipeline network.
- FIGS 1 and 2 show sectional views of a first embodiment of the device according to the invention.
- An annular gap chamber 1 consists of a double tube, the outer tube of which is surrounded by an outer excitation system 4 and the inner tube of which is surrounded or bordered by an inner excitation system 5. “Bordered” is to be understood to mean that the inner excitation system 5 forms the edge of the inner tube.
- the working space of the annular gap chamber 1 is an annular gap which is chamfered at the bottom 16 and is welded to a curved annular gap disk.
- the upper end of the annular gap chamber 1 forms a flange 12 which is screwed to a cover 11.
- An outlet 3 leads through the cover 11 of the annular gap to the outside.
- the annular gap chamber 1 consists of a non-ferromagnetic material.
- An inlet 2 for the multiphase mixture to be processed is arranged at the lowest point of an inclined bottom 16, which likewise consists of a non-ferromagnetic material.
- freely movable magnetic working bodies 7 which, within the working space of the annular gap chamber 1, appear to be chaotic, as will be described in more detail below, on endless tracks with a speed that is constant over time along the path generated by the excitation systems 4, 5 , move in one direction of the rotating electromagnetic field, the multi-phase mixture to be processed flowing through the working space, which is fed via the inlet 2 of the annular gap chamber 1 and flows out of the annular gap chamber 1 via the outlet 3.
- the two rotationally symmetrical excitation systems 4, 5 consist of laminated cores 4a, 5a, which are formed from individual laminations, and of excitation windings 4b, 5b, which, for example, have three strands and are distributed in grooves in the laminated cores 4a, 5a.
- the laminated cores 4a, 5a carry these excitation windings, which are equipped with the same number of pole pairs.
- the excitation windings 4b, 5b are fed by a three-phase network and are interconnected in such a way that there is a rotating and time-changing electromagnetic field 8 which passes through the annular gap in the radial direction and runs tangentially along the laminated core, ie along the circumference.
- the field windings 4b, 5b and the laminated cores 4a, 5a of the excitation systems 4, 5 are poured into a solvent-resistant resin 9 and completely surrounded by it, so that there is good heat transfer from the excitation windings to the laminated cores of the respective excitation systems and, moreover, protection of the excitation systems from damaging solvent effects which are possible in the event of an accident given is.
- the inner excitation system 5 has an axially continuous cylindrical free space, so that the heat loss generated in the inner excitation system 5 and the heat dissipation generated in the annular gap chamber 1 can be dissipated, for example, via a central heat sink 6, which the annular gap chamber 1 encloses in such a way that the laminated core 5a of the inner excitation system 5 is in direct contact with the heat sink 6.
- the heat sink 6 advantageously consists of a non-ferromagnetic tube inserted into the cylindrical free space of the inner excitation system 5 and closed at the top, into the interior of which a cooling tube 10 leads through which a liquid or gaseous coolant flows into the heat sink 6 from below. This coolant flows downward out of the heat sink 6 through an outflow pipe, not specified.
- the annular gap chamber 1 is designed as a unit which can be separated from the outer and / or inner excitation system 4, 5 and can be pulled out of the latter upwards or downwards.
- the excitation systems 4, 5 lie opposite one another and can be switched on independently of one another. They are designed in such a way that a circumferential electromagnetic field changes over time, in which the already mentioned working bodies 7 made of a hard magnetic material, for example hexaferrite, move.
- the intensity of the electromagnetic field 8 and its circulation are well adapted to the requirements of the material to be processed. Since the annular gap chamber 1 is largely hermetically sealed, the entire device between the inlet 2 and the outlet 3 is emission-free.
- the working bodies 7 have a spherical or barrel-shaped shape with a diameter or with a length of 1.0 to 4.0 mm.
- the packing density of the working bodies 7 within the annular gap, i.e. the electromagnetically active working space of the annular gap chamber 1 is in the range from 40 to 90 volume%.
- the pumpable multiphase mixtures are, for example, dispersions and suspensions, primarily for dye comminution.
- the material flow to be processed is fed continuously from below at an angle of 90 ° to the circumferential plane of the excitation field and, after flowing through the annular gap, is again removed from the annular gap chamber 1 without an additional collecting device for the working bodies 7. Due to the superimposition of the axial flow direction impressed by the material flow and the orbital movement of the working bodies 7, which is constant over time in one direction, the components of the material flow in the working space of the annular gap chamber 1 assume spiral paths. This means that the load path is considerably longer than the axial dimension of the work area.
- the flow path can take place both from the bottom up, as in the illustrated first exemplary embodiment of the invention, and via positive guides in the working space or in the annular gap, exclusively from above, as is the case with the second and third exemplary embodiments of the device which are shown in FIGS Figures 3.4 and 5.6 are shown.
- the material processing in the annular gap takes place through shear and impact stresses of the components of the material flow with one another, with the working bodies 7 and with the walls of the annular gap chamber 1.
- the inlet 2 is a so-called double-angular inlet, i.e. it merges directly into the annular gap without rounding or kinking, while the outlet 3 is designed as a diffuser.
- the working bodies 7 are drawn in and held by the electromagnetic field 8 into the electromagnetically active working space of the annular gap chamber 1 during the working process and are only consumed very slowly by the wear occurring, without physical disturbances occurring in the material flow stream.
- sensors are installed in the area of the material guide and on one of the excitation systems 4, 5.
- the temperature is measured at the inlet and outlet 2 or 3 of the material flow and at the excitation windings 4b, 5b in the axial center with the help of temperature sensors 19 and 20, which provide control signals for cooling and for an alarm circuit, not shown, if specified limit values Temperature in the material is exceeded.
- temperature sensors 24, 25 are available for the excitation systems, which either alone or together with the temperature sensors 19, 20 provide the control signals for the cooling and for the alarm circuit as soon as the predetermined temperature limits are exceeded.
- a pressure sensor 18 is arranged in the annular gap, which actuates a safety contact circuit in order to stop the material feed when inadmissibly high wall pressures are found in the annular gap chamber 1.
- the amount of active working bodies 7 in the annular gap can be determined by measuring the voltage on field coils 21 of the external excitation system 4 with the aid of a voltmeter 15.
- the field coils 21 are arranged at the tooth ends of the external excitation system 4. With the help of these field coils, the induced voltage is measured and evaluated as a measure of the quantity of the working bodies 7 in the multi-phase mixture by the working bodies 7 moving in the electromagnetically active working space of the annular gap chamber 1.
- annular gap chambers connected in series are provided in order to avoid an extreme working length of a single annular gap chamber, which would cause complicated excitation systems and problems during cleaning.
- the material inlet and outlet in the second and third embodiment of the device are only possible from above.
- the same reference numerals are used for the same components as in the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2.
- the excitation systems 4, 5 also consist of laminated cores 4 a, 5 a, each of which carries a three-strand excitation winding 4 b, 5 b distributed in the slots with an equally large number of pole pairs.
- the inner and outer excitation systems 5 and 4 are also cast in solvent-resistant resins 9, so that they represent closed, ready-to-install elements.
- the inner excitation system 5 is designed as a hollow shaft.
- the cylindrical free space within the inner excitation system 5 is designed for cooling by means of an air flow or by means of a forced cooling of the circulating liquid.
- a forced guide projecting from above into the annular gap chamber 1 is installed, which extends to just before the bottom 16 of the annular gap chamber 1.
- This positive guidance is, for example, a cross-section elliptical or semicircular and against the outer wall of the annular gap chamber 1 or terminating with it annular gap tube 22 which connects to the inlet 2.
- the small axis of the elliptical tube 22 is smaller than the diameter of the inlet 2 and smaller than the width of the annular gap, which is generally in the range from 10 to 40 mm, so that the circulation resulting from the rotating electromagnetic field 8 is constant over time the working body 7 is hardly disturbed.
- FIG. 4 shows both a tube 22 with an elliptical cross section and a tube 22 as a half tube, which terminates with the outer wall of the annular gap chamber.
- the material flowing in through the inlet 2 is thus guided within the annular gap in the annular gap tube 22 and only emerges into the working space of the annular gap chamber 1 at the bevelled lower end of the annular gap tube 22.
- the incoming material then pushes the multi-phase mixture upwards in the direction of the outlet 3 within the annular gap.
- a plurality of tubes 22 with an elliptical cross section projecting into the annular gap chamber 1 and resting on the inside of the outer or inner wall of the annular gap chamber, which tubes are fed via several inlets 2 or through a suitable distribution system in the cover 11 via an inlet 2, can also be used.
- the annular gap tube 22 is also designed, for example, as a half tube, which then contacts the inside of the outer or inner wall the annular gap chamber 1 connects or is connected to the inside.
- the material is fed in and out from above.
- the material instead of guiding the material through an elliptical annular gap pipe, the material is guided inside the annular gap chamber 1 by means of a cylindrical ring wall 23 which projects into the closed annular gap chamber 1 from close up to the end thereof.
- This annular wall 23 divides the annular gap chamber into two sections and thus leads to a doubling of the path of the material and thus to a particularly intensive preparation of the material.
- the ring wall 23 advantageously leads centrally through the annular gap.
- the annular gap chamber 1 and the working bodies 7 are flushed by a flushing agent flowing continuously through the annular gap chamber 1.
- the excitation systems are either operated with reduced power by means of economy circuits of the excitation windings 4b, 5b, or one of the excitation systems is switched off in order to achieve a slowed movement of the working bodies.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerkleinern, Dispergieren, Benetzen und Mischen von pumpfähigen unmagnetischen Mehrphasengemischen mittels elektromagnetischer Energie, die auf magnetische Arbeitskörper innerhalb von Stoffen in einem geschlossenen Volumen einwirkt, wobei sich die Arbeitskörper unter dem Einfluß eines elektromagnetischen, sich örtlich und/oder sich zeitlich ändernden Feldes unterschiedlich bewegen.The invention relates to a method and an apparatus for crushing, dispersing, wetting and mixing pumpable non-magnetic multiphase mixtures by means of electromagnetic energy, which acts on magnetic working bodies within substances in a closed volume, the working bodies being influenced by an electromagnetic, local and / or move differently over time.
Bei der Verarbeitung von Materialien durch Zerkleinern - insbesondere durch Fein- und Feinstzerkleinerung körniger Substanzen - und/oder durch Mischen, Dispergieren und/oder Rühren von Pulvern, Flüssigkeiten und Gasen steht im Vordergrund die Tatsache, daß eine möglichst große Kontaktfläche bzw. Oberfläche der zusammenwirkenden Phasen erzeugt werden muß, da dadurch die Verlaufsdauer der Verarbeitung verkürzt und der Temperatur- und Konzentrationsgradient im Verarbeitungsvolumen herabgesetzt werden.When processing materials by crushing - in particular by fine and very fine crushing of granular substances - and / or by mixing, dispersing and / or stirring powders, liquids and gases, the focus is on the fact that the largest possible contact surface or surface of the interacting Phases must be generated, as this shortens the processing time and reduces the temperature and concentration gradient in the processing volume.
Für die verfahrenstechnischen Schritte wie Zerkleinern, (Desagglomerieren), Dispergieren, Benetzen und Mischen von pumpfähigen unmagnetischen Mehrphasengemischen werden bekanntlich Rührwerkskugelmühlen in verschiedenen technischen Ausführungen eingesetzt.For the procedural steps such as comminution, (deagglomeration), dispersion, wetting and mixing of pumpable, non-magnetic multiphase mixtures, it is known that agitator ball mills are used in various technical designs.
Bei dieser Aufbereitungstechnik wird die eingesetzte Energie nur indirekt über mehrere Zwischenstufen, beginnend mit dem elektrischen Antrieb, über ein rotierendes Rührwerk und einen oder mehrere Mahlkörper auf die Mehrphasengemische übertragen. Dabei entstehen hohe Energieverluste, die als thermische Verluste über aufwendige Kühlsysteme abgeführt werden müssen.With this processing technology, the energy used is only indirectly transferred to the multi-phase mixtures via several intermediate stages, starting with the electric drive, via a rotating agitator and one or more grinding media. This results in high energy losses, which have to be dissipated as thermal losses via complex cooling systems.
Desweiteren sind auf der Materialaustragseite des Arbeitsraumes für die Mahlkörper zusätzliche Abtrennvorrichtungen, wie Siebe, Spaltfilter usw. und Wellendichtsysteme notwendig, die einem hohen Materialverschleiß ausgesetzt sind.Furthermore, on the material discharge side of the working space for the grinding media, additional separation devices, such as screens, gap filters, etc., and shaft sealing systems are required, which are exposed to high material wear.
Bekannt sind weiterhin Vorrichtungen und Verfahren zum mechanischen Aufbereiten von körnigen Substanzen und/oder zum Mischen und Rühren von Pulvern, Flüssigkeiten und Gasen unter Verwendung elektromagnetischer Felder. Hier wird die einem ruhenden Hauptelement zugeführte elektrische Energie mittels elektromagnetischer Felder direkt in mechanische Energie freibeweglicher ferromagnetischer Arbeitskörper umgewandelt. Das ruhende Hauptelement ist beispielsweise eine elektrische Erregeranordnung, die eine Erregerwicklung trägt, und die einen Luftspaltraum aufweist.Devices and methods for mechanically processing granular substances and / or for mixing and stirring powders, liquids and gases using electromagnetic fields are also known. Here, the electrical energy supplied to a stationary main element is converted directly into mechanical energy of freely movable ferromagnetic working bodies by means of electromagnetic fields. The stationary main element is, for example, an electrical excitation arrangement which carries an excitation winding and which has an air gap space.
Aus der DE-OS 25 56 935 ist ein Materialbearbeitungsverfahren für Pulver, Flüssigkeiten, Gase und deren Gemische sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens bekannt, bei dem das zu bearbeitende Material in eine Kammer zusammen mit Magnetelementen aus hartmagnetischem Material eingebracht wird, die sich unter dem Einfluß eines elektromagnetischen Wechselfeldes chaotisch bewegen. Das Wechselfeld wird mittels einer elektrischen Erregerwicklung in einem Raum erzeugt, in dem die Kammer angeordnet ist. Die Erregerwicklung umgibt dabei die Kammer. Die Magnetelemente werden in der Kammer in einer Schicht vorgegebener Dicke angeordnet, wobei diese durch die Betriebsbedingungen des Magnetfeldes, die Größe der Magnetelemente, ihre Dichte und ihre magnetischen Größen wie Induktion und Koerzitivkraft sowie durch die Schwerkraft bestimmt wird.From DE-OS 25 56 935 a material processing method for powders, liquids, gases and their mixtures and a device for carrying out the method is known, in which the material to be processed is introduced into a chamber together with magnetic elements made of hard magnetic material, which are under the influence of an alternating electromagnetic field. The alternating field is generated by means of an electrical field winding in a room in which the chamber is arranged. The field winding surrounds the chamber. The magnetic elements are arranged in the chamber in a layer of a predetermined thickness, this being determined by the operating conditions of the magnetic field, the size of the magnetic elements, their density and their magnetic sizes, such as induction and coercive force, and by gravity.
In anderen Materialbearbeitungsverfahren, wie sie in den US-Patentschriften Nr. 3 219 318 und Nr. 3 423 880 beschrieben sind, werden hartmagnetische Ferromagnetelemente und magnetische Wechselfelder, insbesondere pulsierende Magnetfelder verwendet.In other material processing methods, as described in US Pat. Nos. 3,219,318 and 3,423,880, hard magnetic ferromagnetic elements and alternating magnetic fields, in particular pulsating magnetic fields, are used.
Bei diesen Verfahren wird zuerst das Bearbeitungsmaterial beliebiger Form und danach die Ferromagnetelemente aus einem hartmagnetischen Stoff in eine Kammer eingebracht. Daraufhin wird die Kammer in einen Raum gebracht, in welchem ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Das Magnetfeld versetzt die Ferromagnetelemente in eine chaotische Bewegung, bei der sie sich um ihre Achsen drehen und miteinander zusammenstoßen, wodurch das Material entsprechend bearbeitet wird.In this method, the machining material of any shape is first introduced into a chamber and then the ferromagnetic elements made of a hard magnetic material. The chamber is then brought into a room in which an alternating magnetic field is generated. The magnetic field sets the ferromagnetic elements in a chaotic movement, in which they rotate about their axes and collide with each other, whereby the material is processed accordingly.
In den Verfahren nach den genannten Patentschriften sind die Magnetelemente aus einem hartmagnetischen Material mit einer Koerzitivkraft über 50 Oe hergestellt und haben eine nichtsphärische Form. Ihre mittlere Größe liegt im Bereich von mindestens einigen Zehnteln eines Mikrometers bis höchstens 2,5 cm. Die Magnetfeldstärke des Wechselfeldes beträgt über 0,01 Oe und seine Frequenz bis zu 1 MHz.In the processes according to the named patents, the magnetic elements are made of a hard magnetic material with a coercive force of more than 50 Oe and have a non-spherical shape. Their average size is in the range of at least a few tenths of a micrometer up to a maximum of 2.5 cm. The magnetic field strength of the alternating field is over 0.01 Oe and its frequency up to 1 MHz.
Diese Verfahren dienen zur Bearbeitung von Stoffen in einer periodischen und ununterbrochenen Betriebsfolge in kleinen Gefäßen, Kästen, Röhren oder Kapillaren sowie zum Schleifen schwerzugänglicher Oberflächenstellen.These processes are used to process substances in a periodic and uninterrupted operating sequence in small vessels, boxes, tubes or capillaries as well as for grinding difficult to access surface areas.
Die Vorrichtungen, mit denen die genannten Arbeitsverfahren verwirklicht werden, enthalten eine elektrische Solenoidwicklung und eine Arbeitskammer aus einem nichtmagnetischen Material, angeordnet im Innen- bzw. Außenraum der Solenoidspule, in dem ein sinusförmiges magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die in die Kammer eingebrachten Magnetelemente aus Bariumhexaferrit oder einer "Alnico-8"Legierung bzw. Eisen-Kobalt-Nickel-Aluminium-Legierung unbestimmter Form bewirken durch ihre Bewegungen unter dem Einfluß des Magnetfeldes eine Vermischung bzw. Zerkleinerung des Bearbeitungsmaterials. Die Zahl der Magnetelemente in der Kammer wird so gewählt, daß sie sich bei ihren Bewegungen in der Kammer in genügend großen Abständen voneinander befinden und sich gegenseitig nicht abnutzen, wobei diese Zahl geringer ist als die Zahl der Elemente bei ihrer einschichtigen Anordnung auf der gesamten Bodenfläche der Kammer.The devices with which the above-mentioned working methods are implemented contain an electrical solenoid winding and a working chamber made of a non-magnetic material, arranged in the inner and outer space of the solenoid coil, in which a sinusoidal alternating magnetic field is generated. The magnetic elements made of barium hexaferrite or an "Alnico-8" alloy or iron-cobalt-nickel-aluminum alloy of indefinite shape introduced into the chamber, due to their movements under the influence of the magnetic field, cause the machining material to be mixed or comminuted. The number of magnetic elements in the chamber is chosen so that they are sufficiently far apart from one another during their movements in the chamber and do not wear one another, this number being less than the number of elements in their single-layer arrangement over the entire floor area the chamber.
Ein Nachteil der bekannten Verfahren ist die geringe Energiedichte, die durch die relativ kleine Zahl der Magnetelemente pro Rauminhalt der Arbeitskammer bedingt, in die Verarbeitungsvorgänge eingebracht wird. Demzufolge entstehen große Energieanforderungen, da nicht der gesamte Rauminhalt des Magnetfeldes ausgenutzt wird, pro Einheit des bearbeiteten Produkts, was eine Verteuerung der Materialbearbeitung verursacht. Es zeigt sich, daß eine Vergrößerung der Zahl der Magnetelemente in der Arbeitskammer einerseits zu deren hohem Verschleiß führt, wodurch das Bearbeitungsprodukt verschmutzt wird und die Bearbeitungskosten infolge des hohen Verbrauchs der teuren Magnetkörper ansteigen, und andererseits die tieferliegenden Magnetelemente sich weniger intensiv als die oberen bewegen als Folge der auf die tieferliegenden Elemente wirkenden Schwerkraft.A disadvantage of the known methods is the low energy density, which is caused by the relatively small number of magnetic elements per volume of the working chamber, which is introduced into the processing operations. As a result, large energy requirements arise because not the the entire volume of the magnetic field is used, per unit of the processed product, which increases the cost of material processing. It can be seen that an increase in the number of magnetic elements in the working chamber leads on the one hand to their high wear, whereby the processing product is contaminated and the processing costs increase due to the high consumption of the expensive magnetic bodies, and on the other hand the lower-lying magnetic elements move less intensely than the upper ones as a result of gravity acting on the underlying elements.
In den bekannten Bearbeitungsvorrichtungen steht ein Luftspaltraum als Arbeitsraum zur Verfügung. In ihm befinden sich eine Vielzahl ferromagnetischer Arbeitskörper, die im herkömmlichen Sinne als Mahlkörper wirken, und die aufzubereitenden Substanzen bzw. Mehrphasengemische.In the known machining devices, an air gap space is available as a work space. It contains a large number of ferromagnetic working bodies, which act in the conventional sense as grinding media, and the substances or multiphase mixtures to be processed.
Für die Erregersysteme werden im allgemeinen drei verschiedene Arten eingesetzt:
- konzentrische Wechselfelderregersysteme mit einphasig gespeisten Ring- bzw. Solenoidwicklungen wie sie z.B. in den Druckschriften SU-PS 480 447 DE-OS 25 56 935 SU-PS 662 144 SU-PS 837 411 SU-PS 908 389 DE-OS 38 43 368 beschrieben sind,
- lineare ein- und zweiseitige Wanderfelderregersysteme mit mehrphasig gespeisten Strangwicklungen gemäß den Druckschriften
SU-PS 995 221 SU-AS 102 3573 DE-OS 32 33 926 DE-OS 32 40 021 DE-OS 32 40 057 SU-AS 110 3887 und - rotationsymmetrische ein- und zweiseitige Drehfelderregersysteme wie sie aus den Druckschriften DE-PS 888 641 GB-PS 15 70 934 SU-PS 808 146 SU-AS 10 45 927 DE-OS 32 33 926 DD-PS 240 674 bekannt sind.
- Concentric alternating field excitation systems with single-phase fed ring or solenoid windings as described, for example, in the publications SU-PS 480 447 DE-OS 25 56 935 SU-PS 662 144 SU-PS 837 411 SU-PS 908 389 DE-OS 38 43 368 ,
- linear single and double-sided traveling field excitation systems with multi-phase fed phase windings according to the documents
SU-PS 995 221 SU-AS 102 3573 DE-OS 32 33 926 DE-OS 32 40 021 DE-OS 32 40 057 SU-AS 110 3887 and - rotationally symmetrical single and double-sided field excitation systems as they are known from the publications DE-PS 888 641 GB-
PS 15 70 934 SU-PS 808 146 SU-AS 10 45 927 DE-OS 32 33 926 DD-PS 240 674.
Bei Wechselfelderregersystemen mit einphasig gespeisten Ring- bzw. Solenoidwicklungen steht der von der Wicklung umschlossene Raum voll als Arbeitsraum für die Materialbearbeitung zur Verfügung. Zur Führung des Erregerfeldes werden ferromagnetische Bauteile nicht benötigt.In alternating field excitation systems with single-phase fed ring or solenoid windings, the space enclosed by the winding is fully available as a working space for material processing. Ferromagnetic components are not required to guide the excitation field.
Demgegenüber stehen jedoch zunächst der notwendige Mehreinsatz an Wicklungsmaterial zur Gewährleistung ausreichender Arbeitsraumfeldstärken und Probleme bei der Abführung der Stromwärmeverluste aus den kompakten Ringspulen. Der hier vorhandene geringe Wärmetransport an die Umgebung und das begrenzte Wärmeaufnahmevermögen des Materialstromes erfordern stets zusätzliche Maßnahmen für eine ausreichende Verlustabführung, die zum einem gewährleistet, daß die magnetischen Kennwerte der Arbeitskörper nicht wesentlich gemindert werden und zum anderen, das aufzubereitende Material sich nicht über vorgeschriebene Grenztemperaturen erwärmt.On the other hand, however, there is initially the necessary additional use of winding material to ensure sufficient field strengths and problems in dissipating the current heat losses from the compact toroidal coils. The low heat transfer to the environment and the limited heat absorption capacity of the material flow always require additional measures for sufficient dissipation, which on the one hand ensures that the magnetic characteristics of the working bodies are not significantly reduced and on the other hand that the material to be processed does not exceed prescribed limit temperatures warmed up.
Desweiteren stellt das Erregerfeld B (x,t) hier ein reines Wechselfeld
mit:
- B̂
- - Amplitude
- f
- - Frequenz des Erregerstromes
- t
- - Zeit
With:
- B̂
- - amplitude
- f
- - Frequency of the excitation current
- t
- - Time
Das bedeutet, daß an jedem Ort x des Arbeitsraumes nur gleichgroße und zwar zeitliche Feldänderungen stattfinden. Die können auch nur gleiche Schwing- bzw. Drehbewegungen der Arbeitskörper bewirken.This means that at each location x of the work area only field changes of the same size take place. They can only bring about the same oscillating or rotating movements of the working bodies.
Zur Gewährleistung der für die mechanische Beanspruchung der aufzubereitenden Substanzen unbedingt notwendigen Relativbewegungen zwischen den Arbeitskörpern müssen
- der Arbeitsraum nahezu vollständig mit Arbeitskörpern gefüllt sein,
- bestimmte Gattierungen (Größe und/oder Form) der Arbeitskörper eingehalten werden und eine
- Gradierung in der radialen Feldstärkeverteilung vorhanden sein.
- the work area is almost completely filled with work bodies,
- certain genera (size and / or shape) of the working body are observed and a
- Grading should be present in the radial field strength distribution.
Die hohen Arbeitskörperfüllgrade begrenzen zum einen wesentliche Abmessungen der Aufbereitungsvorrichtung und damit den Materialdurchsatz, da die Schwerkraft und Haftkräfte der Arbeitskörper deren maximale Schütthöhe fixieren (DE-OS 25 56 935). Über die kritische Schütthöhe der Arbeitskörper hinaus werden vor allem in den unteren Bereichen unzureichende Arbeitskörperbewegungen erreicht. Daraus resultiert eine Abnahme des Energieeintrages in den Arbeitsraum und eine Verringerung der Bearbeitungseffektivität.The high degrees of filling of the working body limit, on the one hand, essential dimensions of the processing device and thus the material throughput, since the gravity and adhesive forces of the working bodies fix their maximum dumping height (
Zum anderen bewirken die hohen Arbeitskörperfüllgrade einen durch die häufigen Arbeitskörperzusammenstöße bedingten hohen Arbeitskörperverschleiß.On the other hand, the high working body filling levels result in high working body wear due to the frequent working body collisions.
Die erforderlichen örtlichen Feldstärkegradienten sind bei Wechselfelderregersystemen funktionsbedingt nur radial nach innen möglich. Die Feldstärke fällt expontiell über die innere Ausdehnung des Erregersystems ab. Dadurch wird die Arbeitskörperbewegung und somit die Bearbeitungseffektivität radial nach innen immer geringer. Damit sind Totraumgebiete im Chargenbetrieb und Durchschüsse bei kontinuierlicher Materialauffüllung möglich.The required local field strength gradients are only possible radially inwards in the case of alternating field excitation systems. The field strength drops exponentially over the inner extent of the excitation system. As a result, the working body movement and thus the machining effectiveness radially inward is becoming less and less. This enables dead space areas in batch operation and bullets with continuous material replenishment.
Ausführungen mit Ring- und Solenoidwicklungen sind auf kleine Durchmesser/Längen-Verhältnisse beschränkt und besitzen geringe Energiedichten und niedrige Wirkungsgrade.Versions with ring and solenoid windings are limited to small diameter / length ratios and have low energy densities and low efficiency.
Die bekannten linearen Wanderfelderregersysteme besitzen eine in Nuten verteilte dreisträngige Wicklung. Zur Führung und Gewährleistung der Durchdringung des Arbeitsraumes mit dem Erregerfeld ist ein geschlossener magnetischer Kreis aus laminierten Blechpaketen erforderlich. Das Erregerfeld ändert sich nicht nur zeitlich sondern auch örtlich. Es gilt für die Grundwelle:
mit:
- B̂
- - Amplitude
- τp
- - Polteilung der Erregeranordnung
- f
- - Frequenz der Erregerströme
bewegt. Diese gesetzesmäßige Feldbewegung bewirkt einen Transport des ferromagnetischen Inhaltes des Arbeitsraums. Damit wandern die Arbeitskörper in kurzer Zeit zu einem der beiden Enden der Arbeitskammer, stauen sich hier und behindern sich gegenseitig in ihrer Bewegung. Dadurch vermindert sich merklich der mögliche Energieumsatz und der Wirkungsgrad. Es werden deutlich geringere und ungleichmäßige Aufbereitungseffekte erhalten. Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, werden grundsätzlich zwei gegenüberliegende Wanderfelderregersysteme verwendet und zusätzliche Maßnahmen zur Verungleichmäßigung der Arbeitskörperbewegung realisiert:
- entgegengesetzte Schaltung der Erregerfelder der einander gegenüberliegenden Erregersysteme über die gesamte Erregersystemlänge (SU-PS 995221, DE-OS 3233926) oder abschnittweise (SU-AS 1023573, SU-AS 1103897),
- Änderung des Abstandes der einander gegenüberliegenden Erregersysteme über ihre Länge (DE-OS 3233926, SU-AS 1103897),
- Feldverungleichmäßigungen durch verschiedene Polteilungen, unterschiedliche Einspeisung und Dimensionierung der Erregerwicklungen der einander gegenüberliegenden Erregersysteme (DE-OS 3233926),
- Anbringen von Trennwänden im Arbeitsraum quer zur Bewegungsrichtung des Erregerfeldes (DE-OS 3233926).
With:
- B̂
- - amplitude
- τ p
- - Pole pitch of the exciter arrangement
- f
- - frequency of excitation currents
emotional. This legal field movement causes the ferromagnetic content of the work area to be transported. This means that the working bodies migrate to one of the two ends of the working chamber in a short time, jam here and hinder each other's movement. This noticeably reduces the possible energy conversion and efficiency. Significantly lower and uneven treatment effects are obtained. To counteract this disadvantage, two opposite traveling field excitation systems are used and additional measures are taken to make the movement of the working body uneven:
- opposite switching of the excitation fields of the opposing excitation systems over the entire excitation system length (SU-PS 995221, DE-OS 3233926) or in sections (SU-AS 1023573, SU-AS 1103897),
- Changing the distance of the opposing excitation systems over their length (DE-OS 3233926, SU-AS 1103897),
- Field irregularities due to different pole pitches, different feed and dimensioning of the field windings of the mutually opposing field systems (DE-OS 3233926),
- Attaching partitions in the work area transverse to the direction of movement of the field (DE-OS 3233926).
Jede dieser Maßnahmen bewirkt zwar eine Minderung der Transportgeschwindigkeit, jedoch aber auch eine wesentliche Reduzierung des elektromechanischen Energieumsatzes und damit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades. Andererseits sind damit erhebliche konstruktive und maschinenbautechnische Mehraufwendungen sowie erhöhte Aufwendungen bei der Betriebsführung, -kontrolle und verfahrentechnischen Handhabung verbunden.Although each of these measures brings about a reduction in the transport speed, it also results in a significant reduction in the electromechanical energy conversion and thus a deterioration in the efficiency. On the other hand, this entails considerable additional constructive and mechanical engineering expenses as well as increased expenses for operational management, control and process engineering handling.
Bei Drehfelderregersystemen liegen prinzipiell endlose Bahnen in der Ebene der Bewegungsrichtung des Feldes für die Arbeitskörper vor, da diese Erregersysteme in sich geschlossen sind.In rotating field excitation systems there are in principle endless tracks in the plane of the direction of movement of the field for the working bodies, since these excitation systems are self-contained.
In der GB-PS 1570934 werden ein äußeres rotationssymmetrisches Drehfelderregersystem und zur zusätzlichen Verungleichmäßigung der Arbeitskörperbewegung vielfach polarisierte Arbeitskörper verwendet.In GB-PS 1570934 an outer rotationally symmetrical rotating field excitation system and multiply polarized working bodies are used to additionally irregularize the working body movement.
Bei der bekannten Vorrichtung zum Zerkleinern, Mischen und Rühren mit gegenüberliegenden rotationssymmetrischen Drehfelderregersystemen nach der DE-OS 3233926 besteht der Nachteil dieser Vorrichtung darin, daß die Bewegungsrichtungen der Erregerfelder des äußeren und inneren Systemes entgegengesetzt geschaltet sind und zusätzliche Feldverungleichmäßigungen durch variable Polteilungen, Durchflutungen und Luftspaltbreiten realisiert werden müssen.In the known device for comminuting, mixing and stirring with opposing rotationally symmetrical rotary field excitation systems according to DE-OS 3233926, the disadvantage of this device is that the directions of movement of the excitation fields of the outer and inner system are switched in the opposite direction and additional field irregularities due to variable pole divisions, flooding and air gap widths must be realized.
Die im zeitlichen Mittel konstante translatorische Transportbewegung ist erforderlich, um einen für die mechanische Aufbereitung nutzbaren, stationären elektromechanischen Energieumsatz im Arbeitsraum zu garantieren. Deshalb ist es - wie aus DD-PS 240674 bekannt - zur intensiven Ausnutzung der zugeführten elektrischen Energie und Gewährleistung ausreichend großer Energiedichten im Arbeitsraum nur sinnvoll, die Erregeranordnung zweiseitig gegenüberliegend und insichgeschlossen, die Arbeitskammer gleichartig insichgeschlossen auszubilden sowie die Erregerwicklung hinsichtlich ihrer Dimensionierung, Schaltung und Einspeisung so auszulegen, daß nur eine einzige Bewegungsrichtung des die Arbeitskammer durchdringenden elektromagnetischen Feldes vorliegt. Es entstehen dann für alle ferromagnetische Bestandteile des Arbeitkammerinhaltes endlose Bahnen, ein effektiver Energieumsatz und entsprechende Aufbereitungseffekte.The translatory transport movement, which is constant over time, is required in order to use a stationary electromechanical device that can be used for mechanical processing To guarantee energy turnover in the work area. Therefore - as is known from DD-PS 240674 - for intensive use of the supplied electrical energy and ensuring sufficiently high energy densities in the work space, it is only sensible to form the exciter arrangement on both sides opposite and insecure, to design the working chamber equally unsecured and the excitation winding with regard to its dimensioning, switching and To design the feed so that there is only a single direction of movement of the electromagnetic field penetrating the working chamber. This results in endless tracks, effective energy conversion and corresponding treatment effects for all ferromagnetic components of the work chamber content.
Allerdings wird die Insichgeschlossenheit in Bewegungsrichtung des Erregerfeldes durch eine mit Lückenabständen versehene Aneinanderreihung einer Mehrzahl geometrisch endlicher Erregersystemteile realisiert. Eine solche Anordnung ist zur trocknen Fein- und Feinstzerkleinerung von körnigen Materialien geeignet, nicht jedoch zum mechanischen Aufbereiten von pumpfähigen Mehrphasengemischen.However, the self-locking in the direction of movement of the excitation field is realized by a stringing of a plurality of geometrically finite excitation system parts provided with gap spacing. Such an arrangement is suitable for the dry fine and very fine comminution of granular materials, but not for the mechanical processing of pumpable multiphase mixtures.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zum Aufbereiten von unmagnetischen Mehrphasengemischen so zu verbessern, daß der Verschleiß der magnetischen Arbeitskörper weitgehend vermieden, Emissionen aus dem Arbeitsraum stark vermindert und die Ausbeute an feinstbearbeiteten Mehrphasengemischen bei geringem Energieaufwand erhöht wird.The object of the invention is to improve a method of the type described above for processing non-magnetic multiphase mixtures so that the wear of the magnetic working bodies is largely avoided, emissions from the working space are greatly reduced and the yield of microfinished multiphase mixtures is increased with little energy expenditure.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß das Mehrphasengemisch an zwei Seiten von zwei sich im konstanten Abstand gegenüberliegenden rotationssymmetrischen, in sich geschlossenen Erregersystemen umgeben ist, die jeweils ein in gleicher Richtung umlaufendes, in einer Richtung das Mehrphasengemisch durchdringendes, sich zeitlich änderndes elektromagnetisches Feld erzeugen und tangential um das Volumen, das das Mehrphasengemisch zwischen den sich gegenüberliegenden Erregersystemen einnimmt, führen und daß ein aufzubereitender Mehrphasengemischstrom unter einem Winkel von 90° zum umlaufenden elektromagnetischen Feld kontinuierlich dem Volumen zugeführt wird.This object is achieved according to the invention in such a way that the multiphase mixture is surrounded on two sides by two rotationally symmetrical, self-contained excitation systems, which are located at a constant distance from each other, each of which has an electromagnetic circuit that rotates in the same direction, penetrates the multiphase mixture in one direction, and changes over time Generate field and lead tangentially to the volume that the multi-phase mixture occupies between the opposing excitation systems, and that a multi-phase mixture stream to be prepared is continuously supplied to the volume at an angle of 90 ° to the rotating electromagnetic field.
Die weiteren Verfahrensmaßnahmen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7.The further procedural measures result from the features of claims 2 to 7.
Im Rahmen der vorliegenden Aufgabe soll auch eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Mehrphasengemischen geschaffen werden, die eine einfache konstruktive Gestaltung und Auslegung der elektromagnetischen Erregersysteme und der Arbeitskammer bei optimaler Energieausbeute im Vergleich zu dem Energieaufwand für die Bewegung der Arbeitskörper aufweist.Within the scope of the present task, a device for processing multiphase mixtures is also to be created, which has a simple structural design and layout of the electromagnetic excitation systems and the working chamber with an optimal energy yield compared to the energy expenditure for the movement of the working bodies.
Dies geschieht in der Weise, daß eine bis auf Ein- und Auslauf hermetisch abgeschlossene Ringspaltkammer die Arbeitskammer bildet und aus einem Doppelrohr besteht, dessen Außenrohr von einem äußeren Erregersystem und dessen Innenrohr von einem inneren Erregersystem umgeben ist, daß die Arbeitskörper sich innerhalb des die Ringspaltkammer durchströmenden Mehrphasengemisches in Richtung der umlaufenden Felder der Erregersysteme bewegen und daß die Einström- und die Ausströmzone für das Mehrphasengemisch in der Ringspaltkammer frei von Arbeitskörpern sind.This is done in such a way that an annular gap chamber hermetically sealed except for the inlet and outlet forms the working chamber and consists of a double tube, the outer tube of which is surrounded by an external excitation system and the inner tube of which is surrounded by an internal excitation system, so that the working bodies are located within the annular gap chamber flowing multi-phase mixture in the direction of the rotating fields of the excitation systems and that the inflow and outflow zones for the multiphase mixture in the annular gap chamber are free of working bodies.
Die Weiterbildung der Vorrichtung ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 9 bis 26.The development of the device results from the features of
Mit der Erfindung werden die Vorteile erzielt, daß eine dem Verfahren angepaßte Energie optimal einstellbar ist und schwierige Dispergierprozesse, Benetzungs- und Mischbedingungen ausgeführt bzw. eingehalten werden können.The advantages of the invention are that an energy adapted to the process can be optimally adjusted and difficult dispersion processes, wetting and mixing conditions can be carried out or maintained.
Damit lassen sich gegenüber bekannten Verfahren wesentliche Energieeinsparungen von mehr als 50 % erzielen. Durch die weitgehende Hermetisierung der Vorrichtung können Schadstoffemissionen nicht auftreten. Desweiteren werden die Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten durch Verzicht auf jegliche mechanische Übertragungssysteme und Arbeitskörperabtrennvorrichtungen minimiert. Bei geregeltem Temperatur-, Druck- und Arbeitskörperfüllverhalten ist eine Eingliederung der Vorrichtung in eine vollautomatisierte Prozeßführung als Element des Rohrleitungsnetzes möglich.This enables significant energy savings of more than 50% to be achieved compared to known methods. Due to the extensive hermeticization of the device, pollutant emissions cannot occur. Furthermore, the manufacturing, operating and maintenance costs are minimized by dispensing with any mechanical transmission systems and working body separation devices. With controlled temperature, pressure and body filling behavior, the device can be integrated into a fully automated process control as an element of the pipeline network.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- FIG. 1
- einen Längsschnitt A-A einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,
- FIG. 2
- eine Draufsicht im Schnitt B-B der Vorrichtung nach FIG. 1,
- FIG. 3
- einen Längsschnitt C-C einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die gegenüber den FIG. 1 und 2 geringfügig abgewandelt ist,
- FIG. 4
- eine Draufsicht im Schnitt D-D der Vorrichtung nach FIG. 3,
- FIG. 5
- einen Längsschnitt E-E einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die sich von den beiden anderen Ausführungsformen geringfügig unterscheidet, und
- FIG. 6
- eine Draufsicht im Schnitt F-F der Vorrichtung nach FIG. 5.
- FIG. 1
- 2 shows a longitudinal section AA of a first embodiment of a device according to the invention,
- FIG. 2nd
- a plan view in section BB of the device of FIG. 1,
- FIG. 3rd
- a longitudinal section CC of a second embodiment of the device according to the invention, which compared to FIG. 1 and 2 is slightly modified,
- FIG. 4th
- a plan view in section DD of the device of FIG. 3,
- FIG. 5
- a longitudinal section EE of a third embodiment of the device according to the invention, which differs slightly from the other two embodiments, and
- FIG. 6
- a plan view in section FF of the device of FIG. 5.
Die Figuren 1 und 2 zeigen Schnittdarstellungen einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung. Eine Ringspaltkammer 1 besteht aus einem Doppelrohr, dessen Außenrohr von einem äußeren Erregersystem 4 umgeben und dessen Innenrohr von einem inneren Erregersystem 5 umgeben oder berandet ist. Unter "berandet" ist zu verstehen, daß das innere Erregersystem 5 den Rand des Innenrohres bildet. Der Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 ist ein Ringspalt, der am Boden 16 abgeschrägt und mit einer gewölbten Ringspaltscheibe verschweißt ist. Den oberen Abschluß der Ringspaltkammer 1 bildet ein Flansch 12, der mit einem Deckel 11 verschraubt ist. Durch den Deckel 11 führt ein Auslauf 3 des Ringspaltes nach außen. Die Ringspaltkammer 1 besteht aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff. Ein Einlauf 2 für das zu bearbeitende Mehrphasengemisch, ist am tiefsten Punkt eines schrägen Bodens 16 angeordnet, der gleichfalls aus einem nicht-ferromagnetischen Material besteht. Im elektromagnetisch aktiven Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 befinden sich freibewegliche magnetische Arbeitskörper 7, die sich innerhalb des Arbeitsraumes der Ringspaltkammer 1 scheinbar chaotisch, wie nachstehend noch näher beschrieben wird, auf endlosen Bahnen mit im zeitlichen Mittel konstanter Geschwindigkeit entlang des durch die Erregersysteme 4,5 erzeugten, in einer Richtung umlaufenden elektromagnetischen Feldes bewegen, wobei durch den Arbeitsraum das zu bearbeitende Mehrphasengemisch hindurchströmt, das über den Einlauf 2 der Ringspaltkammer 1 zugeführt wird und über den Auslauf 3 aus der Ringspaltkammer 1 herausströmt.Figures 1 and 2 show sectional views of a first embodiment of the device according to the invention. An
Die beiden rotationssymmetrischen Erregersysteme 4,5 bestehen aus Blechpaketen 4a,5a, die aus Einzelblechen gebildet sind und aus Erregerwicklungen 4b,5b, die beispielsweise dreisträngig ausgeführt und in Nuten der Blechpakete 4a, 5a verteilt sind. Die Blechpakete 4a,5a tragen diese Erregerwicklungen, die mit gleicher Polpaarzahl ausgestattet sind. Die Erregerwicklungen 4b, 5b werden von einem Drehstromnetz gespeist und sind so zusammengeschaltet, daß ein umlaufendes und sich zeitlich änderndes elektromagnetisches Feld 8 vorliegt, das den Ringspalt in radialer Richtung durchsetzt und entlang den Blechpaketen tangential, d.h. entlang dem Umfang, umläuft. Die Erregerwicklungen 4b,5b und die Blechpakete 4a,5a der Erregersysteme 4,5 sind in einem lösungsmittelbeständigen Harz 9 eingegossen und von diesem vollständig umgeben, so daß ein guter Wärmedurchgang von den Erregerwicklungen zu den Blechpaketen der jeweiligen Erregersysteme besteht und darüber hinaus ein Schutz der Erregersysteme vor im Havariefall möglichen, schädigenden Lösungsmitteleinwirkungen gegeben ist.The two rotationally
Das innere Erregersystem 5 besitzt axial durchgängig einen zylindrischen Freiraum, dadurch können die im inneren Erregersystem 5 entstehende Verlustwärme und die in der Ringspaltkammer 1 entstehende aufbereitungstechnische Verlustwärme beispielsweise über einen zentralen Kühlkörper 6 abgeführt werden, den die Ringspaltkammer 1 in der Weise umschließt, daß das Blechpaket 5a des inneren Erregersystems 5 in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper 6 steht. Der Kühlkörper 6 besteht vorteilhafterweise aus einem in den zylindrischen Freiraum des inneren Erregersystems 5 eingefügten und oben geschlossenen nicht-ferromagnetischen Rohr, in dessen Inneres ein Kühlrohr 10 hineinführt, durch das ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel von unten in den Kühlkörper 6 einströmt. Dieses Kühlmittel strömt nach unten hin aus dem Kühlkörper 6 durch ein nicht näher bezeichnetes Abströmrohr ab.The
Die Ringspaltkammer 1 ist als eine Einheit ausgebildet, die von dem äußeren und/oder inneren Erregersystem 4, 5 trennbar ist und aus diesen nach oben oder unten hin herausgezogen werden kann.The
Die Erregersysteme 4,5 liegen einander gegenüber und sind unabhängig voneinander einschaltbar. Sie sind derart ausgelegt, daß sich ein zeitlich änderndes umlaufendes elektromagnetisches Feld ausbildet, in dem sich die schon erwähnten Arbeitskörper 7 aus einem hartmagnetischen Material, beispielsweise Hexaferrite, bewegen. Die Intensität des elektromagnetischen Feldes 8 und seine Umlaufführung sind den Anforderungen an das zu bearbeitende Material gut angepaßt. Da die Ringspaltkammer 1 weitgehend hermetisch abgeschlossen ist, ist die gesamte Vorrichtung zwischen dem Einlauf 2 und dem Auslauf 3 emissionsfrei.The
Die Arbeitskörper 7 haben eine kugel- oder tonnenförmige Gestalt mit einem Durchmesser bzw. mit einer Länge von 1,0 bis 4,0 mm. Die Packungsdichte der Arbeitskörper 7 innerhalb des Ringspaltes, d.h. der elektromagnetisch aktive Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1, liegt im Bereich von 40 bis 90 Volumen%. Im Bereich des Einlaufs 2 liegt eine Einströmzone 13, die frei von Arbeitskörpern 7 ist. Im Bereich des Auslaufs 3 befindet sich eine Ausströmzone 14, deren Querschnitt in Richtung des Auslaufs 3 zunimmt und die ebenso wie die Einströmzone 13 frei von Arbeitskörpern 7 ist.The working
Bei den pumpfähigen Mehrphasengemischen handelt es sich beispielsweise um Dispersionen und Suspensionen, vorrangig für Farbstoffzerkleinerungen.The pumpable multiphase mixtures are, for example, dispersions and suspensions, primarily for dye comminution.
Wie voranstehend schon erwähnt wurde, bewegen sich in dem elektromagnetischen Feld 8, das durch die zwei Erregersysteme 4,5 erzeugt wird, die Arbeitskörper 7 makroskopisch betrachtet scheinbar chaotisch auf endlosen Bahnen. Mikroskopisch gesehen entstehen die Bahnen der Arbeitskörper aus der Überlagerung von:
- translatorischen Bewegungen in und entgegen der Bewegungsrichtung des Erregerfeldes, d.h. des elektromagnetischen Feldes 8,
- translatorischen Bewegungen quer zur Bewegungsrichtung des Erregerfeldes,
- Dreh- und Taumelbewegungen um die Körperachsen, sowie
- einer überlagerten, im zeitlichen Mittel konstanten Umlaufbewegung in Richtung des Erregerfeldes.
- translational movements in and against the direction of movement of the excitation field, ie the
electromagnetic field 8, - translational movements transverse to the direction of movement of the excitation field,
- Rotating and tumbling movements around the body axes, as well
- a superimposed, on average constant orbital movement in the direction of the excitation field.
Der aufzubereitende Materialstrom wird von unten unter einem Winkel von 90° zur Umlaufebene des Erregerfeldes kontinuierlich zugeführt und nach dem Durchströmen des Ringspaltes der Ringspaltkammer 1 ohne zusätzliche Auffangvorrichtung für die Arbeitskörper 7 wieder abgeführt. Durch die Überlagerung der durch den Materialstrom eingeprägten axialen Strömungsrichtung und der durch das umlaufende elektromagnetische Feld 8 erzeugten in einer Richtung im zeitlichen Mittel konstanten Umlaufbewegung der Arbeitskörper 7 nehmen die Bestandteile des Materialstromes im Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 spiralförmige Bahnen ein. Damit ist der Beanspruchungsweg wesentlich länger als die axiale Abmessung des Arbeitsraumes.The material flow to be processed is fed continuously from below at an angle of 90 ° to the circumferential plane of the excitation field and, after flowing through the annular gap, is again removed from the
Der Durchströmungsweg kann sowohl von unten nach oben, wie bei dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, als auch über Zwangsführungen im Arbeitsraum bzw. im Ringspalt ausschließlich von oben erfolgen, wie dies der Fall bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist, die in den Figuren 3,4 bzw. 5,6 dargestellt sind.The flow path can take place both from the bottom up, as in the illustrated first exemplary embodiment of the invention, and via positive guides in the working space or in the annular gap, exclusively from above, as is the case with the second and third exemplary embodiments of the device which are shown in FIGS Figures 3.4 and 5.6 are shown.
Die Materialbearbeitung im Ringspalt erfolgt durch Scher- und Schlagbeanspruchungen der Bestandteile des Materialstromes untereinander, mit den Arbeitskörpern 7 und mit den Wänden der Ringspaltkammer 1.The material processing in the annular gap takes place through shear and impact stresses of the components of the material flow with one another, with the working
Der Einlauf 2 ist ein sogenannter doppeltangentialer Einlauf, d.h. er geht ohne Rundung oder Knick direkt in den Ringspalt über, während der Auslauf 3 diffusorförmig ausgebildet ist. In der von Arbeitskörpern 7 freien Einström- und Ausströmzone 13,14 findet eine Homogenisierung bzw. Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Materialstromes statt.The inlet 2 is a so-called double-angular inlet, i.e. it merges directly into the annular gap without rounding or kinking, while the outlet 3 is designed as a diffuser. In the inflow and
Die Arbeitskörper 7 werden während des Arbeitsprozesses durch das elektromagnetische Feld 8 in den elektromagnetisch aktiven Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 hineingezogen und gehalten und verbrauchen sich nur sehr langsam über den eintretenden Verschleiß, ohne daß physikalische Störungen im Materialflußstrom auftreten. Zur Einhaltung von Grenzwerten, d.h. zur verfahrenstechnischen Sicherung des Bearbeitungsvorganges, sind Sensoren im Bereich der Materialführung und an dem einen der Erregersysteme 4,5 installiert.The working
Die Temperaturmessung erfolgt am Ein- und Auslauf 2 bzw. 3 des Materialstromes und an den Erregerwicklungen 4b, 5b in axialer Mitte mit Hilfe von Temperaturmeßfühlern 19 bzw. 20, die Regelsignale für die Kühlung und für eine nicht gezeigte Alarmschaltung liefern, falls vorgegebene Grenzwerte der Temperatur im Materialgut überschritten werden. Desweiteren sind Temperaturmeßfühler 24, 25 für die Erregersysteme vorhanden, die entweder allein oder zusammen mit den Temperaturmeßfühlern 19, 20 die Regelsignale für die Kühlung und für die Alarmschaltung liefern, sobald die vorgegebenen Grenzwerte der Temperatur überschritten werden.The temperature is measured at the inlet and outlet 2 or 3 of the material flow and at the
Zur Druckmessung ist im Ringspalt ein Druckmeßfühler 18 angeordnet, der eine Sicherheitskontaktschaltung betätigt, um die Materialgutführung zu stoppen, wenn unzulässig hohe Wanddrücke in der Ringspaltkammer 1 festgestellt werden.For pressure measurement, a
Durch eine Spannungsmessung an Feldspulen 21 des äußeren Erregersystems 4 mit Hilfe eines Spannungsmessers 15 kann die Menge der aktiven Arbeitskörper 7 im Ringspalt bestimmt werden.The amount of active working
Die Feldspulen 21 sind an den Zahnenden des äußeren Erregersystems 4 angeordnet. Mit Hilfe dieser Feldspulen wird die induzierte Spannung als Maß der Menge der Arbeitskörper 7 in dem Mehrphasengemisch durch die sich im elektromagnetisch aktiven Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 sich bewegenden Arbeitskörper 7 gemessen und ausgewertet.The field coils 21 are arranged at the tooth ends of the external excitation system 4. With the help of these field coils, the induced voltage is measured and evaluated as a measure of the quantity of the working
Für schwerdispergierbares Materialgut ist die Anordnung von in Reihe geschalteten Ringspaltkammern vorgesehen, um eine extreme Arbeitslänge einer einzelnen Ringspaltkammer zu vermeiden, die komplizierte Erregersysteme und Probleme bei der Reinigung bedingen würde.For material that is difficult to disperse, the arrangement of annular gap chambers connected in series is provided in order to avoid an extreme working length of a single annular gap chamber, which would cause complicated excitation systems and problems during cleaning.
Für spezielle Aufbereitungsverfahren ist der Materialzu- und -ablauf bei der zweiten und dritten Ausführungsform der Vorrichtung, wie sie in den Figuren 3 bis 6 gezeigt sind, ausschließlich von oben möglich. Bei diesen beiden Ausführungsbeispielen der Vorrichtung werden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszahlen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 verwendet. Bei den Ausführungsbeispielen bestehen die Erregersysteme 4,5 gleichfalls aus Blechpaketen 4a,5a, die jeweils eine in den Nuten verteilte dreisträngige Erregerwicklung 4b,5b mit gleichgroßer Polpaarzahl tragen. Die inneren und äußeren Erregersysteme 5 bzw. 4 sind ebenfalls in lösungsmittelbeständigen Harzen 9 vergossen, so daß sie geschlossene, montagefähige Elemente darstellen. Das innere Erregersystem 5 ist jeweils als Hohlwelle ausgebildet. Der zylinderförmige Freiraum innerhalb des inneren Erregersystems 5 ist zur Kühlung durch einen Luftstrom bzw. durch eine zwangsgeführte Umlaufflüssigkeitskühlung ausgebildet.For special preparation processes, the material inlet and outlet in the second and third embodiment of the device, as shown in FIGS. 3 to 6, are only possible from above. In these two exemplary embodiments of the device, the same reference numerals are used for the same components as in the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2. In the exemplary embodiments, the
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in den Schnittdarstellungen der Figuren 3 und 4 gezeigt ist, ist eine von oben in die Ringspaltkammer 1 hineinragende Zwangsführung eingebaut, die bis kurz vor dem Boden 16 der Ringspaltkammer 1 reicht. Bei dieser Zwangsführung handelt es sich beispielsweise um ein im Querschnitt elliptisches oder halbrundes und an die äußere Wand der Ringspaltkammer 1 anliegendes oder mit ihr abschließendes Ringspaltrohr 22, das an den Einlauf 2 anschließt. Die kleine Achse des elliptischen Rohres 22 ist kleiner als der Durchmesser des Einlaufs 2 und kleiner als die Breite des Ringspaltes, die im allgemeinen im Bereich von 10 bis 40 mm liegt, so daß der aus dem umlaufenden elektromagnetischen Feld 8 resultierende im zeitlichen Mittel konstante Umlauf der Arbeitskörper 7 kaum gestört wird. Durch die große Achse des Querschnitts wird der gewünschte Strömungsquerschnitt des Ringspaltrohres 22 festgelegt. In Figur 4 sind sowohl ein Rohr 22 mit elliptischem Querschnitt als auch ein Rohr 22 als Halbrohr dargestellt, das mit der äußeren Wand der Ringspaltkammer abschließt. Das durch den Einlauf 2 einströmende Materialgut ist somit innerhalb des Ringspaltes im Ringspaltrohr 22 geführt und tritt erst am abgeschrägten unteren Ende des Ringspaltrohres 22 in den Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 aus. Das nachströmende Materialgut drückt dann von unten her das Mehrphasengemisch innerhalb des Ringspaltes nach oben in Richtung des Auslaufs 3.In the second exemplary embodiment, as is shown in the sectional representations of FIGS. 3 and 4, a forced guide projecting from above into the
Ebenso sind auch mehrere in die Ringspaltkammer 1 hineinragende, an der Innenseite der äußeren oder inneren Wand der Ringspaltkammer anliegende Rohre 22 mit elliptischem Querschnitt, die über mehrere Einläufe 2 oder durch ein geeignetes Verteilersystem im Deckel 11 über einen Einlauf 2 gespeist werden, einsetzbar. Das Ringspaltrohr 22 ist z.B. auch als Halbrohr ausgebildet, das dann an die Innenseite der äußeren oder inneren Wand der Ringspaltkammer 1 anschließt bzw. mit der Innenseite verbunden ist.Likewise, a plurality of
Die übrigen Elemente der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung stimmen mit den entsprechenden Elementen der ersten Ausführungsform überein, so daß sie kein weiteres Mal beschrieben werden.The remaining elements of the second embodiment of the device correspond to the corresponding elements of the first embodiment, so that they will not be described again.
Bei der in den Figuren 5 und 6 dargestellten dritten Ausführungsform der Vorrichtung wird das Materialgut ebenso wie bei den zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung von oben zu- und abgeführt. Anstelle der Materialgutführung durch ein elliptisches Ringspaltrohr erfolgt bei dieser Ausführungsform die Zwangsführung des Materialgutes innerhalb der Ringspaltkammer 1 mittels einer zylindrischen Ringwand 23, die bis nahe an das Ende der geschlossenen Ringspaltkammer 1 in diese von oben her hineinragt. Diese Ringwand 23 unterteilt die Ringspaltkammer in zwei Abschnitte, und führt somit zu einer Verdoppelung des Weges des Materialgutes und damit zu einer besonders intensiven Aufbereitung des Materialgutes. Die Ringwand 23 führt zweckmäßigerweise mittig durch den Ringspalt.In the third embodiment of the device shown in FIGS. 5 and 6, as in the second embodiment of the device, the material is fed in and out from above. In this embodiment, instead of guiding the material through an elliptical annular gap pipe, the material is guided inside the
Ebenso ist es möglich, obwohl dies zeichnerisch nicht dargestellt ist, sowohl den Einlauf als auch den Auslauf der Ringspaltkammer im Boden anzuordnen und entsprechende Zwangsführungen wie bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in dem Ringspalt vorzusehen.It is also possible, although this is not shown in the drawing, to arrange both the inlet and the outlet of the annular gap chamber in the bottom and to provide corresponding positive guides in the annular gap as in the second and third exemplary embodiments of the device.
Im allgemeinen werden die Ringspaltkammer 1 und die Arbeitskörper 7 durch ein kontinuierlich durch die Ringspaltkammer 1 hindurchströmendes Spülmittel gespült. Während des Spülvorganges werden die Erregersysteme entweder mit reduzierter Leistung mittels Sparschaltungen der Erregerwicklungen 4b, 5b betrieben oder eines der Erregersysteme abgeschaltet, um eine verlangsamte Bewegung der Arbeitskörper zu erreichen.In general, the
Ebenso ist es möglich, das Bearbeitungsverfahren diskontinuierlich zu betreiben, das heißt das Mehrphasengemisch diskontinuierlich in den Arbeitsraum der Ringspaltkammer 1 einzuleiten und nach einer zeitlich bemessenen Bearbeitungszeit von den Arbeitskörpern zu trennen, beispielsweise mit Hilfe von Filtern oder Sieben, und aus dem Arbeitsraum abzuführen.It is also possible to operate the processing method discontinuously, that is to say to introduce the multiphase mixture discontinuously into the working space of the
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