WO2000012770A1 - Hochdruckdüse für agressive medien - Google Patents

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pressure nozzle
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Manfred Kruck
Thomas Augustin
Detlef Michalski-Vollmer
Siegfried Franken
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/30—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages
    • B05B1/3033—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head
    • B05B1/3073—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a deflector acting as a valve in co-operation with the outlet orifice
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/30—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages
    • B05B1/32—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages in which a valve member forms part of the outlet opening
    • B05B1/323—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages in which a valve member forms part of the outlet opening the valve member being actuated by the pressure of the fluid to be sprayed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure nozzle for aggressive media made of a special cobalt alloy, and to the use of the high-pressure nozzle for metering reactive liquids, in particular liquid additives and auxiliaries, into large volume flows of other liquids at a volume flow ratio of 1: 1000 or less.
  • the nozzle system is particularly suitable for converting small quantities of cold sterilizing agents into large liquid flows e.g. of drinks to apply.
  • Dosing systems are required that allow fine dosing of the reactive medium without fluctuations in the dosing.
  • the service life of the metering system should be long enough to avoid frequent changing of the metering device combined with time-consuming cleaning. This is particularly true for food processing plants.
  • the object of the invention is to find a suitable nozzle shape and in particular a nozzle material that is both mechanically and chemically resistant and to be able to manufacture it with sufficient precision.
  • the nozzle should also be resistant to aggressive cleaning agents.
  • the mechanical production of the nozzle system should also be comparatively inexpensive.
  • a high-pressure nozzle for aggressive media which is the subject of the invention, consisting of at least one nozzle body with a cylindrical bore and a conical sealing surface, for receiving a nozzle needle (4) with a conical nozzle needle head (8) which is on the sealing surface (9 ) is spring-loaded, the nozzle needle (4) at the end opposite the nozzle needle head (8) having a detachable and adjustable in height connecting means which holds a compression spring (3) against the nozzle body (5) and the
  • Co from 30 to 70% by weight, Fe: from 1 to 5% by weight, Si: from 0.1 to 0.5% by weight
  • Mn from 0.1 to 3% by weight
  • a preferred nozzle material has a composition of:
  • Co from 50 to 58% by weight
  • Fe from 1 to 3% by weight
  • Si from 0.1 to 0.5% by weight
  • Mn from 0.5 to 0.9% by weight
  • a particularly suitable nozzle material is a cobalt alloy of the composition:
  • a particular advantage of the nozzle according to the invention is that the nozzle material of the nozzle is extremely corrosion resistant, e.g. compared to chlorine-releasing cleaning agents. At the same time, the mechanical resistance of the nozzle is very good. In practice, this means for the user that the nozzle has a lower susceptibility to malfunction, a higher reliability, a longer service life and a reduced maintenance effort than metering devices known from the prior art.
  • the nozzle needle has along its cylindrical
  • a number of different, generally known pump systems can be used for metering and distributing liquid flows (A) into liquid flows (B).
  • Gear pumps or similar are preferred for the continuous supply of liquid.
  • Systems used for the pulsation-like supply find z.
  • B. diaphragm pumps use.
  • the invention further relates to the use of the high-pressure nozzle according to the invention for metering reactive liquids, in particular liquid additives and auxiliaries, into large volume flows of other liquids at a volume flow ratio of 1: 1000 or less.
  • the high-pressure nozzle for metering liquids in at a volume flow ratio of 1: 1000 to 1: 100,000.
  • Figure 1 shows the high pressure nozzle in longitudinal section
  • Figure 2 shows the high pressure nozzle in side view
  • the high pressure nozzle has the following structure (see Figure 1):
  • the nozzle body 5 has a cylindrical bore 6 for receiving the nozzle needle 4.
  • the nozzle body 5 can be attached to a pipe, not shown, the lower part 10 of the nozzle body 5 opening into the pipe.
  • the nozzle needle 4 has milled grooves 7 along its cylindrically shaped shaft.
  • the nozzle needle head 8 is widened in a conical shape and rests on the sealing surface 9 of the nozzle body 5.
  • a detachable screw connection 1, 2 is attached, which consists of nut 1 and lock nut 2, which are screwed onto the thread of the nozzle needle 4.
  • the nuts 1 and 2 press a spring 3 against the spring seat of the nozzle body 5.
  • the nozzle needle head 8 When the spring 3 is tensioned and depressed, the nozzle needle head 8 is pressed against the sealing surface 9 of the nozzle body 5 and blocks the outlet of the liquid from the nozzle.
  • the spring tension which can be adjusted by the nuts 1, 2 determines the pressure under which the liquid which flows along the grooves 7 to the nozzle needle head 8 exits the nozzle.
  • the parts of the nozzle touched by the liquids were made of a material of the following composition:
  • Co remainder to 100% by weight ⁇ 54.08 along with traces of other elements.
  • the nozzle needle 4 could be manufactured by turning, milling, grinding and polishing without any special measures being required.
  • the angle of attack of the nozzle needle head 8 against the shaft of the nozzle needle 4 was 50 °.
  • the nozzle is fed with a cold disinfection liquid (dimethyl dicarbonate) under a pressure of 20-40 bar. After opening the nozzle, the cold sterilization liquid is distributed in the form of an emulsion into the aqueous liquid (beverage) flowing in a pipeline (not shown). In this case, the liquids are not miscible.
  • the nozzle is exposed to an aggressive cleaning or disinfectant solution, e.g. when cleaning the pipeline for the beverage using chlorine-releasing cleaning agents (hypochlorite) or strongly acidic or strongly basic cleaning agents. It has proven to be particularly advantageous that the nozzle system is particularly chemically stable and is not corroded. The high mechanical resistance at the same time enables a comparatively long service life of the nozzle without metering fluctuations.

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Abstract

Es wird eine Hochdruckdüse für reaktive Medien beschrieben, bestehend wenigstens aus einem Düsenkörper (5) mit zylindrischer Bohrung (6) und konischer Dichtfläche (9), zur Aufnahme einer Düsennadel (4) mit einem kegelförmigen Düsennadelkopf (8), der auf der Dichtfläche (9) federbelastet aufsetzt, wobei die Düsennadel (4) an dem zum Düsennadelkopf (8) entgegengesetzten Ende ein lösbares und seiner Höhe verstellbares Verbindungsmittel (1, 2) aufweist, das eine Druckfeder (3) gegen den Düsenkörper (5) niederhält und die Federbelastung des Düsennadelkopfes bewirkt, wobei das Düsenmaterial aus einer speziellen Kobaltlegierung besteht mit einem Gehalt an: Co: von 30 bis 70 Gew.-%, Fe: von 1 bis 5 Gew.-%, Si: von 0,1 bis 0,5 Gew.-%, Cr: von 20 bis 35 Gew.-%, W: von 0,5 bis 4,5 Gew.-%, Ni: von 2 bis 15 Gew.-%, C: von 0 bis 0,3 Gew.-%, Mo: von 2 bis 10 Gew.-%, Mn: von 0,1 bis 3 Gew.-%. Ferner wird die Verwendung der Hochdruckdüse zur Zudosierung von reaktiven Flüssigkeiten, insbesondere flüssigen Additiven und Hilfsmitteln in grosse Volumenströme anderer Flüssigkeiten bei einem Volumenstromverhältnis von 1:1000 oder weniger beschrieben.

Description

Hochdruckdüse für agressive Medien
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckdüse für agressive Medien aus einer speziellen Kobaltlegierung, sowie die Verwendung der Hochdruckdüse zur Zudosierung von reaktiven Flüssigkeiten, insbesondere flüssigen Additiven und Hilfsmitteln in große Volumenströme anderer Flüssigkeiten bei einem Volumenstromverhältnis von 1 : 1000 oder weniger.
Das Düsensystem eignet sich besonders, um geringe Mengen von Kaltentkeimungs- mittel in große Flüssigkeitsströme z.B. von Getränken, zu applizieren.
Bei der Verarbeitung bzw. Mischung von reaktiven Medien, insbesondere beim Ein- düsen kleiner Mengen von Dimethyldicarbonat in Flüssigkeiten, z.B. in einen größeren Volumenstrom eines Getränks zum Zwecke der Kaltentkeimung, werden
Dosiersysteme benötigt, die eine feine Dosierung des reaktiven Mediums ermöglichen, ohne daß Schwankungen bei der Dosierung auftreten. Die Standzeit des Dosiersystems sollte hinreichend lang sein, um einen häufigen Wechsel der Dosiereinrichtung verbunden mit einer aufwendigen Reinigung zu vermeiden. Insbesondere trifft dies für Lebensmittel verarbeitende Anlagen zu.
Die bisher bekannten Dosiersysteme und insbesondere die darin verwendeten Dosierdüsen, die üblicherweise aus Metall gefertigt sind, zeigten Schwächen dahingehend, eine hohe mechanische Festigkeit der Düsenkörper mit einer ausreichenden Be- ständigkeit gegen reaktive Chemikalien, insbesondere gegen Dimethyldicarbonat zu kombinieren. Wird ein Düsensystem auf hohe mechanische Festigkeit (Kerbschlagzähigkeit, E-Modul etc.) hin optimiert, die für den Dauerbetrieb der Düse oder eine gepulste Dosierung vorteilhaft ist, so verringert sich in der Regel die chemische Beständigkeit des Metalls. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Düsenform und insbesondere ein sowohl mechanisch als auch chemisch beständiges Düsenmaterial zu finden und dieses mit ausreichender Präzision fertigen zu können. Die Düse soll ebenfalls beständig gegen agressive Reinigungsmittel sein.
Die mechanische Fertigung des Düsensystems sollte zudem vergleichsweise unaufwendig sein.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckdüse für agressive Medien, die Gegenstand der Erfindung ist, bestehend wenigstens aus einem Düsenkörper mit zylindrischer Bohrung und konischer Dichtfläche, zur Aufnahme einer Düsennadel (4) mit einem kegelförmigen Düsennadelkopf (8), der auf der Dichtfläche (9) federbelastet aufsetzt, wobei die Düsennadel (4) an dem zum Düsennadelkopf (8) entgegengesetzten Ende ein lösbares und in seiner Höhe verstellbares Verbindungsmittel aufweist, das eine Druckfeder (3) gegen den Düsenkörper (5) niederhält und die
Federbelastung des Düsennadelkopfes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß als Düsenmaterial eine Legierung mit einem Gehalt an:
Co von 30 bis 70 Gew.-%, Fe: von 1 bis 5 Gew.-%, Si: von 0,1 bis 0,5 Gew.-%
Cr: von 20 bis 35 Gew.-% W: von 0,5 bis 4,5 Gew.-%
Ni: von 2 bis 15 Gew.-% C: von 0 bis 0,3 Gew.-%
Mo: von 2 bis 10 Gew.-% Mn: von 0,1 bis 3 Gew.-%
eingesetzt wird. Spuren anderer Elemente können zusätzlich enthalten sein.
Ein bevorzugtes Düsenmaterial hat eine Zusammensetzung von:
Co: von 50 bis 58 Gew.-%, Fe: von 1 bis 3 Gew.-%, Si: von 0,1 bis 0,5 Gew.-%
Cr: von 20 bis 30 Gew.-% W: von 1 bis 5 Gew.-% Ni: von 8 bis 11 Gew.-% C: von 0,04 bis 0,1 Gew.-%
Mo: von 3 bis 6 Gew.-% Mn: von 0,5 bis 0,9 Gew.-%
Ein besonders geeignetes Düsenmaterial ist eine Kobaltlegierung der Zusammen- setzung:
Fe: 2,7 Gew.-% Si: 0,34 Gew.-% Cr: 25,4 Gew.-% W: 2,2 Gew. -% Ni: 9,6 Gew.-% C: 0,08 Gew.-% Mo: 4,9 Gew.-% Mn 0,7: Gew.-% mit einem Rest von Cobalt auf 100 Gew.-%, d.h. ~ 54 Gew.-% neben Spuren anderer
Elemente.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Düse ist, daß das Düsenmaterial der Düse extrem korrosionsbeständig ist, z.B. gegenüber chlorabspaltenden Reinigungs- mittein. Gleichzeitig ist die mechanische Beständigkeit der Düse sehr gut. Dies bedeutet in der Praxis für den Anwender, daß die Düse eine geringere Störanfälligkeit, eine höhere Zuverlässigkeit, ein längere Standzeit und einen verringerten Wartungsaufwand aufweist als aus dem Stand der Technik bekannte Dosiereinrichtungen.
In einer besonderen Ausführungsform weist die Düsennadel längs ihres zylindrischen
Schaftes Nuten zum Durchleiten des Flüssigkeitsstromes zum Düsennadelkopf auf.
Für die Dosierung und Verteilung von Flüssigkeitsströmen (A) in Flüssigkeitsströme (B) können eine Reihe verschiedener, grundsätzlich bekannter Pumpsysteme einge- setzt werden. Hierbei ist zu unterscheiden, ob die Flüssigkeitsförderung am Düseneingang kontinuierlich oder pulsationsartig erfolgt. Für die kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr werden bevorzugt Zahnradpumpen o.a. Systeme eingesetzt, für die pulsationsartige Zufuhr finden z. B. Membranpumpen Verwendung.
Besondere Vorteile ergeben sich bei der Eindosierung kleiner Flüssigkeitsmengen in eine andere Flüssigkeit. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Hochdruckdüse zur Zudosierung von reaktiven Flüssigkeiten, insbesondere flüssigen Additiven und Hilfsmitteln in große Volumenströme anderer Flüssigkeiten bei einem Volumenstromverhältnis von 1 : 1000 oder weniger.
Bevorzugt ist die Verwendung der Hochdruckdüse zur Zudosierung von Flüssigkeiten bei einem Volumenstromverhältnis von 1 : 1000 bis 1 : 100 000.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung der Hochdruckdüse als Dosiersystem zur
Zudosierung von von Kaltentkeimungsmittel, insbesondere von Dimethyldicarbonat in Getränke, z.B. in Abfüllanlagen in der Getränkeindustrie.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert, ohne daß dadurch die Erfindung im Einzelnen eingeschränkt wird.
Es zeigen:
Figur 1 die Hochdruckdüse im Längsschnitt Figur 2 die Hochdruckdüse in der Seitenansicht
Beispiele
Die Hochdruckdüse hat folgenden Aufbau (siehe Figur 1):
Der Düsenkörper 5 weist eine zylindrische Bohrung 6 zur Aufnahme der Düsennadel 4 auf. Der Düsenkörper 5 kann an einer nicht gezeichneten Rohrleitung befestigt werden, wobei der untere Teil 10 des Düsenkörpers 5 in die Rohrleitung mündet.
Die Düsennadel 4 hat längs ihres zylindrisch geformten Schaftes eingefräste Nuten 7.
Am Austritt der Düse ist der Düsennadelkopf 8 kegelförmig verbreitert und setzt auf der Dichtfläche 9 des Düsenkörpers 5 auf. Am entgegengesetzten Ende der Düsennadel 4 ist eine lösbare Schraubverbindung 1, 2 angebracht, die aus Mutter 1 und Kontermutter 2 besteht, die auf das Gewinde der Düsennadel 4 aufgeschraubt sind. Die Muttern 1 und 2 drücken eine Feder 3 gegen den Federsitz des Düsenkörpers 5.
Bei gespannter, niedergedrückter Feder 3 wird der Düsennadelkopf 8 gegen die Dichtfläche 9 des Düsenkörpers 5 gedrückt und sperrt den Austritt der Flüssigkeit aus der Düse. Die Federspannung die durch die Muttern 1, 2 einstellbar ist, bestimmt den Druck unter dem die Flüssigkeit, die entlang der Nuten 7 zum Düsennadelkopf 8 strömt, aus der Düse austritt.
Die von den Flüssigkeiten berührten Teile der Düse waren aus einem Material der folgenden Zusammensetzung gefertigt:
Fe: 2,7 Gew.-% Si: 0,34 Gew.-%
Cr: 25,4 Gew.-% W: 2,2 Gew.-%
Ni: 9,6 Gew.-% C: O,08 Gew.-%
Mo: 4,9 Gew.-% Mn O,7: Gew.-%
Co: Rest auf 100 Gew. -% ~ 54,08 neben Spuren weiterer Elemente. Die Düsennadel 4 konnte durch Drehen, Fräsen, Schleifen und Polieren gefertigt werden, ohne daß besondere weitere Maßnahmen erforderlich waren. Der Anstellwinkel des Düsennadelkopfes 8 gegen den Schaft der Düsennadel 4 betrug 50°.
Mittels einer hier nicht gezeigten Vorapparatur wird die Düse mit einer Kaltent- keimungsflüssigkeit (Dimethyldicarbonat) unter einem Druck von 20 - 40 bar gespeist. Nach Öffnen der Düse wird die Kaltentkeimungsflüssigkeit emulsionsartig in die in einer nicht dargestellten Rohrleitung strömende wäßrige Flüssigkeit (Getränk) verteilt. Die Flüssigkeiten sind in diesem Falle nicht mischbar. Außer der Kaltentkeimungsflüssigkeit wird die Düse in gewissen Abständen einer agressiven Reinigungsoder Desinfektionslösung ausgesetzt, z.B. beim Reinigen der Rohrleitung für das Getränk mittels chlorfreisetzender Reinigungsmittel (Hypochlorit) oder stark saurer bzw. stark basischer Reinigungsmittel. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, daß das Düsensystem besonders chemisch stabil ist und nicht korrodiert wird. Die gleichzeitig hohe mechanische Beständigkeit ermöglicht eine vergleichsweise lange Nutzungsdauer der Düse ohne Dosierschwankungen.

Claims

Patentansprüche
1. Hochdruckdüse für reaktive Medien, bestehend wenigstens aus einem Düsenkörper (5) mit zylindrischer Bohrung (6) und konischer Dichtfläche (9), zur Aufnahme einer Düsennadel (4) mit einem kegelförmigen Düsennadelkopf
(8), der auf der Dichtfläche (9) federbelastet aufsetzt, wobei die Düsennadel (4) an dem zum Düsennadelkopf (8) entgegengesetzten Ende ein lösbares und seiner Höhe verstellbares Verbindungsmittel aufweist, das eine Druckfeder (3) gegen den Düsenkörper (5) niederhält und die Federbelastung des Düsen- nadelkopfes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß als Düsenmaterial eine
Legierung mit einem Gehalt an:
Co: von 30 bis 70 Gew.-%
Fe: von 1 bis 5 Gew.-%, Si: von 0,1 bis 0,5 Gew.-%
Cr: von 20 bis 35 Gew.-% W: von 0,5 bis 4,5 Gew.-% N Nii:: vvoonn 22 bbiiss 1155 GGeeww..--%% C C:: von 0 bis 0,3 Gew.-%
Mo: von 2 bis 10 Gew.-% Mn: von 0,1 bis 3 Gew.-% eingesetzt wird.
2 Hochdruckdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsen- material eine Legierung der Zusammensetzung:
Co: von 50 bis 58 Gew.-%
Fe: von 1 bis 3 Gew.-%, Si: von 0,1 bis 0,5 Gew.-%
Cr: von 20 bis 30 Gew.-% W: von 0,1 bis 5 Gew.-%
Ni: von 8 bis 12 Gew.-% C: von 0,04 bis 0,1 Gew.-% Mo: von 3 bis 6 Gew.-% Mn: von 0,5 bis 0,9 Gew.-% ist.
3. Hochdruckdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenmaterial eine Kobaltlegierung der Zusammensetzung: Fe: 2,7 Gew.-% Si: 0,34 Gew.-%
Cr: 25,4 Gew.-% W: 2,2 Gew.-% Ni: 9,6 Gew.-% C: O,08 Gew.-% Mo: 4,9 Gew.-% Mn 0,7: Gew.-% mit Co: ~ 54 Gew.-% (Rest auf 100 Gew.-%) ist.
4. Hochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (4) längs ihres zylindrischen Schaftes Nuten (7) zum Durchleiten des Flüssigkeitsstromes zum Düsennadelkopf aufweist.
5. Verwendung der Hochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Zudosierung von reaktiven Flüssigkeiten (A), insbesondere flüssigen Additiven und Hilfsmitteln in große Volumenströme anderer Flüssigkeiten (B) bei einem Volumenstromverhältnis von 1:1000 oder weniger.
6. Verwendung nach Anspruch 4 zur Zudosierung von Flüssigkeiten (A) bei einem Volumenstromverhältnis (A) zu (B) von 1:1000 bis 1 :10000.
7. Verwendung der Hochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, als
Dosierdüse zur Zudosierung von von Kaltentkeimungsmittel, insbesondere von Dimethyldicarbonat in Getränke, z.B. in Abfüllanlagen in der Getränkeindustrie.
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