EP0515732A1

EP0515732A1 - Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen

Info

Publication number: EP0515732A1
Application number: EP91121438A
Authority: EP
Inventors: Günter Pöschl
Original assignee: PPV Verwaltungs AG; POESCHL WERKE GmbH
Current assignee: PPV Verwaltungs AG
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1992-12-02
Anticipated expiration: 2011-12-13
Also published as: ATE114495T1; DE4113578A1; DE59103702D1; EP0515732B1; DK0515732T3

Abstract

Beschrieben wird eine Einrichtung zur Gasbeladung von viskosen Flüssigkeiten durch Ultraschallwandler. Die Einrichtung hat zwei aktive Elemente, ein meschanisches Kavitationselement in Form einer diskusförmigen schnell rotierenden Scheibe mit axialen Bohrungen und einen Resonanzraum, der von mehreren sich paarweise gegenüberliegenden Ultraschallelementen bestrahlt wird. Dem Resonanzraum nachgeschaltet ist ein Amplitudentransformer, durch den die Frequenz erniedrigt und die Amplitude erhöht wird. Erreicht werden Gas-Flüssigkeitssuspensionen mit einer Bläschengröße von 2 bis 3 µm. <IMAGE>

Description

Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethanen mit vorzugsweise Kohlendioxid.
Zur Verbesserung der Dämmeigenschaften von Schaumstoffen, insbesondere Polyurethansystemen, wurde bereits vorgeschlagen, einer oder beiden Rezepturkomponenten ein Treib- oder Zellgas zuzusetzen, das in einer sonochemischen Reaktion dispergiert und/oder gelöst wird.
Sonochemische Reaktionen sind beispielsweise aus der DE-Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft", April 1969, Seiten 60-66 an sich bekannt. Eine sonochemische Reaktion wird dadurch erzeugt, daß man das Gas in eine oder beide der flüssigen Rezepturkomponenten einleitet und das Zweiphasengemisch mit Hilfe eines Ultraschallgenerators beschallt. Der Ultraschall wird mittels piezoelektrischer oder magnetostriktiver Materialien erzeugt. Derartige Materialien, beispielsweise Barium-Blei-Titanat sowie der Aufbau solcher Ultraschallgeneratoren, sind bekannt.
Es ist noch nicht genau bekannt ist, welche Vorgänge sich bei der sonochemischen Reaktion abspielen, man nimmt aber an, daß die Flüssigkeitsmoleküle durch die aufgrund der Schockwellen entstehenden Kapillarwellen aufgespreizt werden. Im pulsierenden Ultraschallfeld wird durch das Implodieren der Kavitionsbläschen ein Unterdruck in der Flüssigkeit erzeugt, wodurch die Gasmoleküle in Lösung gehen.
Die technische Anwendung des skizzierten und an sich bekannten Effekts bedingt jedoch eine sorgfältige Abstimmung der physikalischen und chemischen Randbedingungen mit den konstruktiven Möglichkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Beladung einer flüssigen Phase mit Gas vorzuschlagen, die einen hohen Wirkungsgrad hat und industriell eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß zur Lösung einer größeren Menge Gas in einer Flüssigkeit diese Menge auch in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt werden muß. Die Behandlung eines Blasengemisches, das beispielsweise durch einfaches Einleiten des Gases in die Flüssigkeit erzeugt wird, reicht dafür nicht aus. Der Wirkungsgrad wird entscheidend verbessert, wenn die sonochemische Reaktion auf eine feine Gas-Flüssigkeitssuspension einwirkt. Vorgeschlagen wird daher ein zweistufiges Verfahren, nach dem zunächst eine feine Gas-Flüssigkeitssuspension durch mechanische Kavitation erzeugt wird und diese Suspension dann in einem speziell ausgebildeten Resonanzraum der Wirkung von Ultaschallwandlern ausgesetzt wird. Durch die bessere Gasbeladung beispielsweise von Polyol für die Herstellung von Polyurethan läßt sich beispielsweise eine Dichteverringerung des Schaumstoffs bewirken, was letztlich eine bessere Wärmedämmung bedeutet.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur zeigt einen teilweisen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung mit Vorkammer, Resonanzraum und einem Teil des Amplitudentransformers.
Kernstück der Einrichtung ist der Resonanzraum 10 der aus vier kleeblattförmig, sich paarweise gegenüberliegenden Kammern 12 besteht, die jeweils eine konkave gewölbte, schüsselförmige Rückseite 12 aufweisen und zum Mittelpunkt des Resonanzraums offen sind. In jeder der Kammern 12 ist ein Ultraschallwandler 14 so angeordnet, daß er von dem zu belandenden Flüssigkeits-Gas-Gemisch frei umströmt werden kann. Es handelt sich beispielsweise um Membranplatten aus Barium-Blei-Titanat, wie sie für konventionelle Wasservernebler verwendet werden. Die Membranplatten oder Piezoelemente werden von zwei aneinander anliegenden sternförmigen Kontaktspinnen gehalten, über welche die Elemente mit Strom versorgt werden. Dabei wird der Rand der Elemente von fingerförmigen Fortsätzen der Kontaktspinnen übergriffen, wie es in der Figur mit der Bezugsziffer 16 angedeutet ist. Die Kontaktspinnen sind durch Isolierfolien voneinander getrennt, um die Piezoelemente in geeigneter Weise mit Strom zu versorgen. Die elektrische Versorgung der Kontaktspinnen erfolgt über die Elektroden 18 und 20. Die Vorsehung üblicher Kupferkontakte ist beispielsweise bei der Gasbeladung von Polyolen nicht möglich.
Da die geometrische Form der Membranplatten die Frequenz bestimmt, kann eine Frequenzänderung an sich nur durch den Austausch der Membranplatten erreicht werden. Dieses Auswechseln ist jedoch umständlich und nachteilig. Erfindungsgemäß werden die Ultraschallwandler daher durch einen prozeßrechnergestützten Frequenzgenerator erregt, wobei die vom Element abgegebene Spannung als Steuergröße verwendet wird, so daß die Ultraschallwandler immer mit maximaler Amplitude arbeiten. Bedingt durch die Bandbreite der möglichen Frequenzen muß der Resonanzraum eine bestimmte Größe aufweisen, die jedoch gleichzeitig den gewünschten hohen Durchfluß garantiert.
Statt der gezeigten kleeblattförmigen Anordnung von vier Ultraschallwandlern können natürlich auch mehrere Wandler kreisförmig angeordnet und radial auf den Mittelpunkt ausgerichtet sein.
Der Resonanzraum 10 wird über eine Vorkammer 22 mit einem feinen Flüssigkeits-Gasgemisch bzw. einer Flüssigkeits-Gas-Suspension versorgt. Die Vorkammer 22 wird über die Zuleitung 24 mit Flüssigkeit, beispielsweise Polyol beschickt. Die gasförmige Phase, beispielsweise Kohlendioxid, wird über die Zuleitung 26 eingespeist.
In der Vorkammer 22 ist ein Kavitationselement 28 angeordnet, das diskusförmig ausgebildet ist und am Ende einer schnell rotierenden, freitragenden Welle befestigt ist. Das Kavitationselement weist auf seiner Unter- und seiner Oberseite unterschiedliche Wölbungen auf. Vorzugsweise ist die Oberseite, d.h. die der Welle zugekehrte Seite stärker gewölbt, als die Unterseite, die ein flacheres Profil aufweisen kann. In dem diskusförmigen Kavitationselement 28 sind mehrere axiale Bohrungen 30 angeordnet, die eine Flüssigkeitsströmung von der Unterseite des Elements zur Oberseite ermöglichen. Der periphere Rand des Kavitationselements ist messerscharf ausgebildet, um, ähnlich wie beim Flugzeugflügel, eine Umströmung möglichst zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Kavitationselement hat nun, wenn es sich mit etwa 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute dreht, die Wirkung, daß, infolge des BernoulliEffekts, eine Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite entsteht, die eine intensive axiale Strömung durch die Bohrungen 30 bewirkt. Die Durchmischung ist so intensiv, daß in kürzester Zeit das in die Vorkammer eingeleitete Blasengemisch in eine feine Suspension transformiert wird.
Das Kavitationselement, das vorzugsweise im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eingesetzt wird, kann natürlich auch isoliert und selbstständig als Mischelement zur Erzeugung feinster Schäume und Suspensionen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch seine Verwendung in der Vorkammer der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der eine Suspension erzeugt wird, die im Resonsanzraum durch die Energie der Ultraschallwandler und die damit hervorgerufenen Kavitationseffekte weiter verfeinert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform hatte das Kavitationselement einen Durchmesser von 42 mm und eine Drehzahl von 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute. In der dabei erzeugten Suspension hatten die Gasbläschen einen mittleren Durchmesser von 0,6 mm.
Dem Resonsanzraum 10 nachgeschaltet ist ein Amplitudentransformer 32, der im wesentlichen aus einem massiven Kern besteht, um den herum sich spiralförmig Kanäle winden, die in der Art einer mehrgängigen Schraubenlinie angeordnet sind. Durch die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit im Material des Amplitudentransformers wird die Frequenz des Ultraschallwandlers erniedrigt und die Amplitude erhöht. Die die Kanäle durchströmende Suspension wird dadurch noch weiter verfeinert, d.h. die Gasbläschen werden nochmals aufgespalten und geteilt. Die den Amplitudentransformer 32 verlassende Suspension ist quasi transparent, d.h. die Gasbläschen sind so klein, daß sie mit freiem Auge nicht wahrgenommen werden können - das Gas wurde physikalisch gelöst. Im Amplitudentransformer findet beispielsweise eine Reduzierung der Frequenz von 1,6 MHz auf 1,1 MHz statt. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Amplitude der Schwingung entsprechend.
Wenn auch die gezeigte Einrichtung in erster Linie zur Gasbeladung von Polyol im Rahmen der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff geeignet ist, so können damit auch Polyätherschäume erzeugt werden. Statt einer Gasbeladung der Rezepturkomponenten unter hohem Druck kann bei Verwendung der erfindunsgemäßen Einrichtung bei normalem Druck und normaler Temperatur geschäumt werden.
Bei der Herstellung von Polyurethan konnte mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Verringerung der Rohdichte um etwa 10 % erreicht werden. Die Beladung von Polyol mit Kohlendioxid konnte von 1,2 g pro 20 ml durch Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung verzehnfacht werden.
Die unter Verwendung der Einrichtung erzeugten Schaumstoffe zeichnen sich durch ein geringeres Raumgewicht und eine geringere Wärmeleitfähigkeit bzw. bessere Dämmwirkung aus.

Claims

Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere mit Polyolen für die Herstellung von Polyurethan mit vorzugsweise Kohlendioxid, gekennzeichnet durch einen Resonanzraum (10) in dem wenigsten ein Ultraschallwandler (14) freischwingend gelagert ist, einer dem Resonanzraum (10) vorgeschalteten Vorkammer (22), in welcher ein mechanisches Kavitationselement (28) angeordnet ist, durch welches eine innige Vermischung des in die Vorkammer (22) eingeleiteten Gases und der Flüssigkeit bewirkt wird und einem der Resonanzkammer (10) nachgeschalteten Amplitudentransformer (32).
Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Resonanzraum (10) zentralsymmetrisch ausgebildet ist und eine solche Form hat, daß die Energie mehrerer, sich jeweils paarweise gegenüberliegender oder kreisförmig angeordneter Ultraschallwandler (14) im geometrischen Mittelpunkt des Resonanzraums (10) fokussiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich jeweils zwei Ultraschallwandler (14) paarweise gegenüberliegen.
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (14) jeweils in einer zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) offenen Kammer (12) angeordnet sind und die Rückwand der Kammer (12) konkav gewölbt ist, so daß darauf abgestrahlte Energie zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) reflektiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (14) Membranplatten sind, die frei umströmbar zwischen zwei elektrisch voneinander isolierten sternförmigen Kontaktspinnen gelagert sind, die in der Wand der Kammer (12) verankert sind und über welche die Ultraschallwandler mit elektrischem Strom versorgt werden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kavitationselement (28) eine diskusartige Form hat und am Ende einer schnell rotierenden fliegenden Welle befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kavitationselement (28) axial zur Antriebswelle gerichtete Bohrungen (30) aufweist und die Wölbung der beiden Hauptflächen des Kavitationselements, d.h. Unterseite und Oberseite unterschiedlich sind, so daß bei Drehung des Kavitationselements eine Druckdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Kavitationselements entsteht, die eine axiale Strömung der Flüssigkeit durch die Bohrungen (30) hervorruft.
Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang der Bohrungen (30) in die gewölbte Unter- bzw. Oberseite des Kavitationselements (28) gerundet ist.
Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Antriebswelle gerichtete Oberseite des Kavitationselements (28) stärker gewölbt ist, d.h. einen kleineren Krümmungsradius aufweist, als die Unterseite, die ein flacheres Profil besitzt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der radial äußere Rand des Kavitationselements (28) messerscharf ausläuft.
Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Amplitudentransfomator (32) mehrere enge Kanäle aufweist, die, wie die Gänge einer mehrgängigen Schraube, einen massiven Kern umgeben und die von der Flüssigkeits-Gas-Suspension vom Resonanzraum (10) zum Ausgang durchströmt werden.