WO2009106056A1 - Vorrichtung zur beeinflussung von viskosen fluiden mit hilfe der lorentzkraft - Google Patents

Vorrichtung zur beeinflussung von viskosen fluiden mit hilfe der lorentzkraft Download PDF

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WO2009106056A1
WO2009106056A1 PCT/DE2009/000259 DE2009000259W WO2009106056A1 WO 2009106056 A1 WO2009106056 A1 WO 2009106056A1 DE 2009000259 W DE2009000259 W DE 2009000259W WO 2009106056 A1 WO2009106056 A1 WO 2009106056A1
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container
poles
magnets
electrodes
fluid
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PCT/DE2009/000259
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Inventor
Otto R. Hofmann
Original Assignee
Fachhochschule Jena
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/18—Stirring devices; Homogenisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for influencing viscous fluids by means of the Lorentz force according to the preamble of the claims.
  • a number of technical solutions are known for mixing and homogenizing viscous fluids, in particular glass melts and similar, less electrically conductive reaction mixtures, as described, for example, in DE 10 2004 015 055 Al and DE 10 2005 058 729 Al extensively.
  • it is known to apply an electric and a magnetic field with differently directed field vectors simultaneously to at least a portion of a feed channel for controlling a glass melt flow and thus to produce a melt flow braking or accelerating Lorentz force.
  • To generate the electric field serve electrodes that are as possible in contact with the melt flow.
  • the magnetic field is generated by magnets isolated from the melt, located outside near the channel.
  • An arrangement also known from US 6849121 Bl is equipped with a central electrode in a channel and a peripheral electrode in the form of the channel wall.
  • the channel wall is surrounded by at least one electric coil for generating the magnetic field.
  • an arrangement for generating the Lorentz force in glass melts is known, are provided in the electrodes for heating the molten glass in a container and connected by a yoke magnetic poles outside of the magnet.
  • the arrangement and design of the magnets is of particular importance, to the state of the art nothing is removable.
  • GB 1 289 317 A discloses improvements in the production of glass under the action of the Lorentz force.
  • the glass is thereby electrically melted.
  • At the melt container are arranged outside and necessarily at a great distance from each other unlike poles. This is intended to maximize the volume of Glass melt to be interspersed with a Lorentz force effect. Because of the large magnetic pole distance, the magnetic flux density is very low and thus the generated Lorentz force is small.
  • the invention is therefore based on the object of specifying arrangements and configurations of the magnet (s) which make it possible to generate magnetic fields with high magnetic flux densities with the least possible outlay in a fluid, in particular a molten glass.
  • the container may be a channel, tank, crucible, feeder or tub in which the fluid is or flows.
  • the purpose of the constrictions and expansions with which the container is provided is to bring the magnetic poles as close as possible to one another and to generate the largest possible magnetic flux density B in the fluid between them. Therefore, the poles are placed on either side of the constriction or extension close to the container wall.
  • edged containers are in the vicinity of the edges anyway certain constrictions of the container, which can be used for the attachment of the magnets in an advantageous manner. At the edges of the container for favorable allocation to the magnetic poles have a special design.
  • the magnetic flux density B in the fluid can be locally different due to the inventive arrangement and design of the magnets, this has no influence on the desired, caused by the Lorentz force F L flow change, vortex formation, pressure distribution, process and reaction influence in the entire fluid or in a fluid area.
  • the electrodes are advantageously provided in a suitable arrangement, between which an electrical current density j builds up.
  • the flux density B and the current density j are directed differently and allow the fluid to have a Lorentz force density f L perpendicular to both is directed.
  • the container which can be made, for example, of platinum or another electrically highly conductive material, itself is used as a heating conductor, in which case a current density j in a longitudinal direction of the Container arises.
  • a peripherally directed flux density B is formed between the poles N, S (north, south) of the magnets.
  • the tank wall In the case of the use of alternating current, the tank wall, for example, generates a time-varying Lorentz force density f L , which is directed at least approximately radially inward and / or outward and is transmitted to the contacting fluid. This leads to vibrations, alternating pressure, as well as effects on physical processes and chemical reactions, eg. B. on the refining of glass melts.
  • a control unit can advantageously control the current density j and the flux density B, whose frequency V j and v B have a phase difference (P j - cp B , depending on predetermined input parameters.)
  • the Lorentz force density f L (Lorentz force per volume element ) controlled.
  • Fig. 1 shows a first embodiment according to the invention in an axial section, in which electrodes and magnet in the same
  • FIG. 3 shows an axial section of a second exemplary embodiment, in which electrodes and magnets are located in different cross-sectional planes
  • FIG. 5 shows an axial section of a third exemplary embodiment, in which the electrodes are located between the poles of the magnets and in which the magnets comprise an extension,
  • FIG. 6 shows a section along a line EE in Fig. 5, 7a and 7b a cross-sectional area through a container provided with special edges of a fourth exemplary embodiment with a special arrangement and design of the magnets and electrodes
  • Fig. 8 shows a cross-sectional area of a container
  • a container 10 designed as a channel is shown with a longitudinal axis XX which, in a cross-sectional area, has two electrodes 11 and four magnetic poles N, S distributed over the circumference.
  • a viscous fluid 12 for example. A glass melt.
  • the electrodes 11 protrude into the fluid 12, they contact the fluid 12.
  • the magnetic poles N, S are located at least partially in cross-sectional narrowing openings 13 of the wall of the container 10 and are arranged isolated from the fluid 12.
  • FIGS. 3 and 4 show a section of a container (tube) 14 with the longitudinal axis XX for a glass melt 15, which has two ring electrodes 16, 17 arranged transversely to the axis XX and a peripheral constriction 18, in which poles N, S of otherwise not shown electromagnets are located.
  • the two opposite opposing poles N, S are combined to form a pair 19, 20, thus belong to a magnet, which may also be a permanent magnet.
  • a voltage U can be applied to the electrodes 16, 17, which serve to heat the container portion.
  • an electric current density j builds up between them, which is directed from the electrode 16 to the electrode 17 substantially parallel to the axis XX.
  • Figures 5 and 6 show a container 21 with a longitudinal axis X-X in which an annular extension 31 is located.
  • Four yoke-shaped electromagnets 22, 23, 24, 25 with pole pairings N, S are arranged at equal intervals along the circumference of the extension 31, such that the poles N, S of each electromagnet are parallel to the axis XX on both sides of the extension 31 are located.
  • the electromagnets 22 to 25 are in the extension between the poles N, S electrodes 26, 27, 28, 29 inserted, which protrude into a befindliches in the container 21 fluid 30.
  • the four electrodes (and magnets) six electrodes can be used in a different arrangement when using three-phase alternating current or another number of electrodes (and electromagnets).
  • Electrodes 26 to 29 and electromagnets 22 to 25 are energized in the arrangement illustrated in FIGS. 5 and 6, the electrodes 26, 27 and 28, 29 produce a substantially radially directed current density j.
  • Magnetic flux densities B are formed between the poles N, S of the electromagnets 22, 23 and 24, 25, which are directed in FIG. 6 for the electromagnets 22, 23 into the drawing plane and out of the drawing plane for the electromagnets 24, 25 ,
  • a peripheral, clockwise Lorentz force density f L is generated, which runs in the opposite direction when the electrodes or magnets are reversed.
  • FIGS. 1 to 4 applies at least analogously.
  • FIG. 7 a shows a cross-sectional area of a box-shaped container 45, for example a channel for a molten glass 44, provided with four edges 32, 33, 34, 35 directed perpendicular to the plane of the drawing.
  • a box-shaped container 45 for example a channel for a molten glass 44
  • four edges 32, 33, 34, 35 directed perpendicular to the plane of the drawing.
  • a block electrode pair 36 is a block electrode pair 36
  • a strong magnetic flux density B is formed between the poles N, S, which is directed parallel to the plane of the drawing and essentially at right angles to the current density j.
  • Current density j and flux density B give rise to a Lorentz force density I L which tends to compress the molten glass 44 between the edges 32 and 34 and stretch between the edges 33 and 35.
  • pressure conditions occur in the molten glass 44, which are not only important for their refining and thus also for their mixing, but also cause changes in the molecular range at a pressure change with a sufficiently low frequency.
  • Fig. 7b is similar to Fig. 7a, a cross-sectional area of a box-shaped container 70 is shown, which is provided instead of the edges with groove-shaped bulges 72, 73, 74, 75, directly between the poles N, S of magnets 76, 77th , 78, 79 lie. In this way, the magnetic poles can be maximally guided to each other and thus the greatest possible flux density and Lorenzkrafthong can be achieved.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional area of a tubular container 46 for an electrically slightly conductive fluid 47, which is arranged perpendicular to the plane of the drawing and has been provided with bulges 48 and / or extensions 49.
  • the container 46 is electrically contacted at its gates (not shown) and consists as well as the bulges or projections of a highly electrically conductive material, for example. Platinum. In it, due to the applied voltage or the applied current, an electrical current density j is formed which is perpendicular to the plane of the drawing out of the plane of the drawing is directed.
  • the bulges 48 or projections 49 are partially surrounded by C-shaped electromagnets 50, 51 and 52, 53, which have polarities N, S.
  • the N-PoIe of the magnets 50 and 52 and 51 and 53 are facing each other. Accordingly, the S-poles of the magnets 50 and 53 and 51 and 52 are adjacent.
  • the poles N, S of all the magnets 50 to 53 have a small distance from the bulges 48 or lugs 49 and enforce these with a strong magnetic flux density B.
  • Current density j and flux density B generate a correspondingly strong Lorentz force density f L , which tends to To press container 46 in the width direction of Figure 8 to the outside and compress in the height direction, ie to deform elliptically. If the electromagnets 50 to 53 reversed polarity, the pressure situation is changed; ie the container 46 is pressed in the width direction and stretched in the vertical direction.
  • the container 46 and the magnets 50 to 53 acted upon by the same alternating current and the frequency of the Lorentz force density f L is set so that it is approximately equal to the natural vibration frequency of the container 46, then a particularly favorable alternating pressure situation for the transmission of the vibrations of the container 46 is given to the fluid 47.
  • the rohrformige container 46 carries out in itself maximum vibrations, which are optimally transmitted to the fluid 47.
  • the frequencies of the current density j and the flux density B may be the same or different; they can be constant or vary over time.
  • a frequency generator 54 is connected, on the one hand, to an input unit 55 and, on the other hand, to a converter-amplifier unit 56 whose signals are supplied to the electrodes 57 and magnets 58, which abut against a fluid container 59.
  • a power supply 60 provides the electrical power required to operate the control unit.
  • values for the currents or voltages Ui, U 2 , frequencies V 1 , V 2 and phase angle ⁇ i, ⁇ 2 are input to the frequency generator 54, the corresponding voltage or current-time profiles for the electric current density j and the magnetic flux density B determined, this generated via the converter-amplifier unit 56, to the Passes electrodes 57 and magnets 58 and so their currents I and possibly influenced or controls v in the working process.

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft, die von einer elektrischen Stromdichte j und einer magnetischen Flussdichte B erzeugt wird. Sie dient insbesondere zur Mischung, Homogenisierung, Läuterung und Beschleunigung chemischer Reaktionen sowie physikalischer Prozesse in Glasschmelzen. Das Fluid (47) befindet sich in einem Behälter (46), an oder in dem zur Erzeugung der Stromdichte j Elektroden so angebracht sind, dass sie das Fluid kontaktieren und außerhalb dessen im Bereich der Elektroden zur Erzeugung der Flussdichte B mindestens ein Magnet (50, 51, 52, 53) vorgesehen ist. Der Behälter weist Verengungen, Erweiterungen (48, 49) oder Kanten auf, in deren unmittelbarer Nähe die Pole N, S der Magnete zur Erzeugung der magnetischen Flussdichte B paarweise angeordnet sind.

Description

Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft gemäß der Gattung der Patentansprüche.
Bekannt sind eine Reihe von technischen Lösungen zum Mischen und Homogenisieren von viskosen Fluiden, insbesondere Glasschmelzen und ähnlichen, elektrisch weniger leitfahigen Reaktionsgemischen, wie sie bspw. in den DE 10 2004 015 055 Al und DE 10 2005 058 729 Al umfänglich beschrieben sind. Insbesondere ist es bekannt, zur Steuerung eines Glasschmelzflusses ein elektrisches und ein magnetisches Feld mit unterschiedlich gerichteten Feldvektoren gleichzeitig zumindest an einem Abschnitt eines Zufuhrungskanals anzulegen und somit eine den Schmelzfluss bremsende oder beschleunigende Lorentzkraft zu erzeugen. Zur Erzeugung des elektrischen Feldes dienen Elektroden, die sich möglichst in Kontakt mit dem Schmelzfluss befinden. Das Magnetfeld wird durch Magnete generiert, die von der Schmelze isoliert, außen in der Nähe des Kanals angebracht sind. Eine auch aus der US 6849121 Bl bekannte Anordnung ist mit einer Zentralelektrode in einem Kanal und einer peripheren Elektrode in Form der Kanalwandung ausgestattet. Die Kanalwandung ist von mindestens einer elektrischen Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes umgeben. Aus der SU 992432 ist eine Anordnung zur Erzeugung der Lorentzkraft in Glasschmelzen bekannt, bei der Elektroden zur Beheizung der Glasschmelze in einem Behälter und durch ein Joch verbundene Magnetpole außerhalb des Magnetes vorgesehen sind. In jedem Fall ist für die praktische Erzeugung und Wirksamkeit der Lorentzkraft FL die Anordnung und Gestaltung der Magnete von besonderer Bedeutung, zu der dem Stand der Technik nichts entnehmbar ist.
Schließlich offenbart die GB 1 289 317 A Verbesserungen bei der Herstellung von Glas unter der Wirkung der Lorentzkraft. Das Glas wird dabei elektrisch geschmolzen. Am Schmelzbehälter sind außerhalb und notgedrungen im großen Abstand voneinander ungleichnamige Pole angeordnet. Dadurch soll ein möglichst großes Volumen der Glasschmelze mit einer Lorentzkraftwirkung durchsetzt werden. Wegen des großen Magnetpolabstandes ist die magnetische Flussdichte sehr gering und damit die erzeugte Lorentzkraft klein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Anordnungen und Gestaltungen des Magnets/der Magnete anzugeben, die es ermöglichen, mit geringst möglichem Aufwand in einem Fluid, insbesondere einer Glasschmelze wirkungsvoll Magnetfelder mit hohen magnetischen Flussdichten zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen angegeben. Der Behälter kann ein Kanal, Tank, Tiegel, Speiser oder eine Wanne sein, in denen das Fluid sich befindet bzw. strömt. Die Verengungen und Erweiterungen, mit denen der Behälter versehen ist, haben den Zweck, die Magnetpole möglichst nahe aneinander zu bringen und im Fluid zwischen ihnen eine möglichst große magnetische Flussdichte B zu erzeugen. Deshalb werden die Pole zu beiden Seiten der Verengung oder Erweiterung dicht an der Behälterwand angeordnet. Bei kantigen Behältern bestehen in der Nähe der Kanten ohnehin gewisse Verengungen der Behälter, die für die Anbringung der Magnete in vorteilhafter Weise genutzt werden können. An den Kanten können die Behälter zur günstigen Zuordnung zu den Magnetpolen eine besondere Gestaltung aufweisen.
Wenn die magnetische Flussdichte B im Fluid infolge der erfindungsgemäßen Anordnung und Gestaltung der Magnete lokal unterschiedlich sein kann, so hat dies keinen Einfluss auf die erwünschte, durch die Lorentzkraft FL erzeugte Strömungsveränderung, Wirbelbildung, Druckverteilung, Prozess- und Reaktionsbeeinflussung im gesamten Fluid bzw. in einem Fluidbereich.
Wenn das Fluid eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzt, sind vorteilhaft die Elektroden in geeigneter Anordnung vorgesehen, zwischen denen sich eine elektrische Stromdichte j aufbaut. Flussdichte B und Stromdichte j sind unterschiedlich gerichtet und lassen im Fluid eine Lorentzkraftdichte fL zustande kommen, die rechtwinklig zu beiden gerichtet ist. Reicht die elektrische Leitfähigkeit im Fluid nicht aus, so wird zur Beheizung des Fluids der Behälter, der bspw. aus Platin oder einem anderen elektrisch gut leitfähigem Material bestehen kann, selbst als Heizleiter benutzt, in dem dann bei Bestromung eine Stromdichte j in einer Längsrichtung des Behälters entsteht. Gleichzeitig bildet sich zwischen den Polen N, S (Nord, Süd) der Magnete eine peripher gerichtete Flussdichte B aus. Es entsteht in, der Behälterwand bspw. bei Verwendung von Wechselstrom eine zeitlich variierende Lorentzkraftdichte fL, die zumindest annähernd radial nach innen und/oder nach außen gerichtet ist und auf das berührende Fluid übertragen wird. Dadurch kommt es zu Schwingungen, Wechseldruck, sowie Auswirkungen auf physikalische Prozesse und chemische Reaktionen, z. B. auf die Läuterung von Glasschmelzen. Eine Steuereinheit kann vorteilhaft die Stromdichte j und die Flussdichte B, deren Frequenz Vj und vB sind und die eine Phasendifferenz (Pj- cpB aufwiesen, in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingabeparametern steuern. Damit wird auch die Lorentzkraftdichte fL (Lorentzkraft pro Volumenelement) gesteuert.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von 6 Ausfuhrungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausfuhrungsbeispiel in einem Axialschnitt, bei dem sich Elektroden und Magnet im selben
Querschnittsbereicht befinden,
Fig. 2 einen Schnitt entlang einer Linie A-A in Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Axialschnitt eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels, bei dem sich Elektroden und Magnete in unterschiedlichen Querschnittsebenen befinden,
Fig. 4 einen Schnitt entlang einer Linie D-D in Fig. 3,
Fig. 5 einen Axialschnitt eines dritten Ausfuhrungsbeispiels, bei dem sich die Elektroden zwischen den Polen der Magnete befinden und bei dem die Magnete eine Erweiterung umfassen,
Fig. 6 einen Schnitt entlang einer Linie E-E in Fig. 5, Fig. 7a und 7b einen Querschnittsbereich durch einen mit speziellen Kanten versehenen Behälter eines vierten Ausfuhrungsbeispiels mit einer besonderen Anordnung und Gestaltung der Magnete und Elektroden, Fig. 8 einen Querschnittsbereich eines Behälters mit
Erweiterungen eines fünften Ausfuhrungsbeispiels und
Fig. 9 als sechstes Ausfuhrungsbeispiel eine Steuereinheit zur
Ansteuerung der Elektroden und Magnete, die auf alle vorstehenden Ausfuhrungsbeispiele anwendbar ist.
In den Figuren 1 und 2 ist ein als Kanal ausgebildeter Behälter 10 mit einer Längsachse X-X dargestellt, der in einem Querschnittsbereich zwei Elektroden 11 und vier Magnetpole N, S über den Umfang verteilt besitzt. Im Behälter 10 befindet sich ein viskoses Fluid 12, bspw. eine Glasschmelze. Die Elektroden 11 ragen in das Fluid 12 hinein, sie kontaktieren das Fluid 12. Die Magnetpole N, S befinden sich zumindest teilweise in querschnittsverengenden Einlassungen 13 der Wand des Behälters 10 und sind vom Fluid 12 isoliert angeordnet. Bei Bestromung der Elektroden 11 und der die Pole N, S aufweisenden, im Übringen nicht dargestellten Elektromagnete, bspw. mit 50 Hz Wechselstrom, bildet sich zwischen den gegenüber liegenden, der Beheizung des Fluids 12 dienenden Elektroden eine Stromdichte j aus. Ebenso bestehen zwischen gegenüberliegenden Polen N, S magnetische Felder und gegenläufige magnetische Flussdichten B, die aufgrund der gewählten Konfiguration rechtwinklig zur Stromdichte j gerichtet sind. Dabei wirken sich die Querschnittsverengung des Behälters 10 und die nähere Anordnung der Pole N, S günstig auf die Magnetfeldstärke und die Größe der magnetischen Flussdichte B sowie der erzeugten Lorentzkraftdichte fL = j x B aus. Die jeweils vom N-PoI zum S-PoI verlaufende Flussdichte B zeigt in der linken Bildhälfte der Figur 1 aus der Bildebene heraus, was durch einen Kreis mit eingeschriebenen Punkt verdeutlicht ist, und in der rechten Bildhälfte der Figur 1 in die Bildebene hinein, was durch einen Kreis mit einem eingeschriebenen Kreuz dargestellt ist. Diese Festlegung gilt auch für die Darstellungsweisen der Stromdichte j und Lorentzkraftdichte fL in allen Figuren. Infolge der in der linken und rechten Bildhälfte der Figuren 1 und 2 unterschiedlich gerichteten Flussdichte B werden in diesen Bildhälften auch entgegengesetzt gerichtete Lorentzkräfte fL erzeugt, die bewirken, dass im Fluid 12 entgegengesetzt gerichtete Strömungen entstehen, deren Richtungen mit den Richtungen der Lorentzkraftdichten übereinstimmen. Es kommt zu Scherungen, Verwirbelungen und Druckdifferenzen im Fluid 12.
Bei Umpolung der Elektroden oder Magnete werden auch entgegensetzt gerichtete Lorentzkraftdichten entstehen. Es versteht sich von selbst, dass am Behälter 10 auch mehrere Querschnittsbereiche vorgesehen und gemäß den Figuren 1 und 2 gestaltet sein können.
In den Figuren 3 und 4 ist ein Abschnitt eines Behälters (Rohr) 14 mit der Längsachse X-X für eine Glasschmelze 15 dargestellt, der zwei quer zur Achse X-X angeordnete Ringelektroden 16, 17 und eine periphere Verengung 18 aufweist, in der sich Pole N, S von im Übrigen nicht dargestellten Elektromagneten befinden. Die jeweils zwei gegenüberliegenden entgegengesetzten Pole N, S sind zu einem Paar 19, 20 zusammengefasst, gehören also zu einem Magneten, der auch ein Permanentmagnet sein kann. An die Elektroden 16, 17, die der Beheizung des Behälterabschnitts dienen, ist eine Spannung U anlegbar. Bei Bestromung der Elektroden 16, 17 baut sich zwischen ihnen eine elektrische Stromdichte j auf, welche von der Elektrode 16 zur Elektrode 17 im Wesentlichen parallel zur Achse X-X gerichtet ist. Gleichzeitig besteht zwischen gegenüberliegenden Polen N, S eine rechtwinklig zur Achse X-X gerichtete magnetische Flussdichte B. Stromdichte j und Flussdichte B bestimmen eine Lorentzkraftdichte fL, die parallel zum Umfang verläuft und eine entsprechende Umwälzung der Glasschmelze 15 bewirkt. Im Bereich der S-PoIe erfolgt diese Strömung im Uhrzeigersinn, im Bereich der N-PoIe entgegen dem Uhrzeigersinn. Infolge dessen ergeben sich intensive Wirbel und Druckschwankungen. Durch Umpolung der Elektroden 16, 17 wird die Lorentzkraftdichte in die jeweilige Gegenrichtung erzeugt und damit die Glasschmelze entgegengesetzt umgewälzt. Werden mehrere Abschnitte des Behälters 14 nacheinander mit den eben beschriebenen Elektroden- und Magnetanordnungen versehen, so kommt es bei entsprechenden Zusammenschaltungen und Steuerungen dieser Anordnungen zu kräftigen Durchmischungen und Läuterungen der Glasschmelze 15.
Die Figuren 5 und 6 zeigen einen Behälter 21 mit einer Längsachse X-X in dem sich eine ringförmige Erweiterung 31 befindet. Vier jochfδrmig gestaltete Elektromagnete 22, 23, 24, 25 mit Polpaarungen N, S sind entlang des Umfangs der Erweiterung 31 in gleichmäßigen Abständen angeordnet, und zwar so, dass sich die Pole N, S jedes Elektromagneten parallel zur Achse X-X zu beiden Seiten der Erweiterung 31 befinden. Entsprechend den Elektromagneten 22 bis 25 sind in die Erweiterung zwischen den Polen N, S Elektroden 26, 27, 28, 29 eingeführt, die in ein im Behälter 21 befindliches Fluid 30 hineinragen. Anstelle der vier Elektroden (und Magnete) können auch sechs Elektroden bei Verwendung von Dreiphasenwechselstrom oder eine andere Anzahl von Elektroden (und Elektromagneten) in abweichender Anordnung verwendet werden.
Werden in der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Anordnung die Elektroden 26 bis 29 und Elektromagnete 22 bis 25 bestromt, so erzeugen die Elektroden 26, 27 und 28, 29 eine im Wesentlichen radial gerichtete Stromdichte j. Zwischen den Polen N, S der Elektromagnete 22, 23 und 24, 25 bilden sich magnetische Flussdichten B aus, die in Figur 6 für die Elektromagnete 22, 23 in die Zeichenebene hinein gerichtet und für die Elektromagnete 24, 25 aus der Zeichenebene heraus gerichtet sind. Dadurch wird eine peripher, im Uhrzeigersinn gerichtete Lorentzkräftdichte fL generiert, die in Gegenrichtung verläuft, wenn die Elektroden oder Magnete umgepolt sind. Im Übrigen gilt das zu den Figuren 1 bis 4 Gesagte zumindest sinngemäß.
In Figur 7a ist ein Querschnittsbereich eines kastenförmigen, mit vier senkrecht zur Zeichenebene gerichteten Kanten 32, 33, 34, 35 versehenen Behälters 45, bspw. eines Kanals für eine Glasschmelze 44, dargestellt. Entlang jeder Kante 32 bis 35 ist ein Blockelektrodenpaar 36,
37, 38, 39 so angeordnet, dass eine Elektrode jedes Paares vor der
Zeichenebene und die andere Elektrode hinter der Zeichenebene liegt. Bei Bestromung der Elektrodenpaare 36 bis 39 ergeben sich elektrische
Stromdichten j, die rechtwinklig zur Zeichenebene gerichtet sind und aus der Zeichenebene heraus kommen. Außerdem sind vier U-, V- oder C- förmige Elektromagnete 40, 41, 42, 43 vorgesehen, deren Pole N, S nahe beieinander und etwa symmetrisch zur jeweiligen Kante liegen, durch Joche miteinander verbunden sind und zwischen den Elektrodenpaaren 36 bis 39 angeordnet sind. Der Behälter 45 ist in der Nähe der Kanten 32 bis 35 deutlich spitzwinklig ausgeführt, so dass die Magnetpole N und S optimal zu beiden Seiten der Kanten angeordnet sind. Die Elektromagnete sind von der Glasschmelze bzw. vom Behälter 45 in bekannter Weise elektrisch und thermisch isoliert. Bei der Bestromung bildet sich zwischen den Polen N, S jeweils eine kräftige magnetische Flussdichte B aus, die parallel zur Zeichenebene und im Wesentlichen rechtwinklig zur Stromdichte j gerichtet ist. Stromdichte j und Flussdichte B lassen eine Lorentzkraftdichte IL entstehen, welche bestrebt ist, die Glasschmelze 44 zwischen den Kanten 32 und 34 zusammen zu drücken und zwischen den Kanten 33 und 35 zu dehnen. Dadurch treten Druckverhältnisse in der Glasschmelze 44 ein, die nicht nur für ihre Läuterung und damit auch für ihre Durchmischung bedeutend sind, sondern die bei einem Druckwechsel mit genügend kleiner Frequenz auch Veränderungen im molekularen Bereich hervorrufen.
In Fig. 7b ist ähnlich wie in Fig. 7a ein Querschnittsbereich eines kastenförmigen Behälters 70 dargestellt, der an Stelle der Kanten mit nutenförmigen Ausbuchtungen 72, 73, 74, 75 versehen ist, die direkt zwischen den Polen N, S von Magneten 76, 77, 78, 79 liegen. Auf diese Weise können die Magnetpole maximal zueinander geführt und somit größtmögliche Flussdichte- und Lorenzkraftwerte erzielt werden.
In Figur 8 ist ein Querschnittsbereich eines rohrförmigen Behälters 46 für ein elektrisch wenig leitfähiges Fluid 47 erkennbar, der senkrecht zur Zeichenebene angeordnet ist und mit Ausbuchtungen 48 und/oder Ansätzen 49 Erweiterungen erfahren hat. Der Behälter 46 ist an seinen Anschnitten (nicht dargestellt) elektrisch kontaktiert und besteht ebenso wie die Ausbuchtungen bzw. Ansätze aus einem elektrisch gut leitenden Material, bspw. Platin. In ihm bildet sich aufgrund der angelegten Spannung bzw. des angelegten Stromes eine elektrische Stromdichte j heraus, die senkrecht zur Zeichenebene aus der Zeichenebene heraus gerichtet ist. Die Ausbuchtungen 48 bzw. Ansätze 49 sind von C- formigen Elektromagneten 50, 51 und 52, 53 teilweise umgeben, welche Polungen N, S aufweisen. Dabei sind die N-PoIe der Magnete 50 und 52 sowie 51 und 53 einander zugekehrt. Entsprechend sind die S-PoIe der Magnete 50 und 53 sowie 51 und 52 benachbart. Die Pole N, S aller Magnete 50 bis 53 haben von den Ausbuchtungen 48 bzw. Ansätzen 49 einen geringen Abstand und durchsetzen diese mit einer starken magnetischen Flussdichte B. Stromdichte j und Flussdichte B erzeugen eine entsprechend starke Lorentzkraftdichte fL, die bestrebt ist, den Behälter 46 in Breitenrichtung der Figur 8 nach außen zu drücken und in Höhenrichtung zusammenzudrücken, also elliptisch zu verformen. Werden die Elektromagnete 50 bis 53 umgepolt, so wird auch die Drucksituation geändert; d. h. der Behälter 46 wird in Breitenrichtung gepresst und in Höhenrichtung gedehnt. Werden der Behälter 46 und die Magnete 50 bis 53 mit dem gleichen Wechselstrom beaufschlagt und wird die Frequenz der Lorentzkraftdichte fL so eingestellt, dass sie annähernd gleich der Eigenschwingungsfrequenz des Behälters 46 ist, dann ist eine besonders günstige Wechseldrucksituation für die Übertragung der Schwingungen des Behälters 46 auf das Fluid 47 gegeben. Der rohrformige Behälter 46 führt in sich maximale Schwingungen aus, welche auf das Fluid 47 optimal übertragen werden. Die Frequenzen der Stromdichte j und der Flussdichte B können gleich oder unterschiedlich sein; sie können konstant sein oder zeitlich variieren.
In der in Figur 9 dargestellten Steuereinheit ist ein Frequenzgenerator 54 einerseits mit einer Eingabeeinheit 55 und andererseits mit einer Wandler- Verstärker-Einheit 56 verbunden, deren Signale den Elektroden 57 und Magneten 58 zugeführt werden, die an einem Fluidbehälter 59 anliegen. Ein Netzteil 60 stellt die zur Betreibung der Steuereinheit erforderliche elektrische Leistung bereit. Mit Hilfe der Eingabeeinheit 55 werden Werte für die Ströme bzw. Spannungen Ui, U2, Frequenzen V1, V2 und Phasenwinkel φi, φ2 in den Frequenzgenerator 54 eingegeben, der daraus entsprechende Spannungs- bzw. Strom-Zeit- Verläufe für die elektrische Stromdichte j und die magnetische Flussdichte B ermittelt, diese über die Wandler-Verstärker-Einheit 56 generiert, an die Elektroden 57 und Magnete 58 weitergibt und so deren Ströme I und ggf. Frequenzen v im Arbeitsprozess beeinflusst bzw. steuert.
Die Erfindung erschöpft sich nicht in den dargestellten Ausfuhrungsbeispielen. Sie ist hinsichtlich der Anzahl, Gestaltung und
Anordnung der Elektroden und Magnete variierbar. Ebenso können durch die Kombination von Merkmalen aus den verschiedenen
Ausfuhrungsbeispielen neue erfindungsgemäße Ausfuhrungsformen entstehen. Es ist auch möglich, die Wandung des Behälters an ihrer Außenseite mit mindestens zwei nutfÖrmigen Vertiefungen oder mit mindestens zwei ringförmigen Erweiterungen in Umfangsrichtung zu versehen und dadurch Verengungen oder Erweiterungen des Behälters zu schaffen. Schließlich können alle in der Beschreibung, den
Ausfuhrungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10, 14,21,45, 46,70 Behälter
11,26,27,28, 29,57 Elektroden
12,30,47 Fluid
15,44 Glasschmelze
16, 17 Ringelektroden
18 Verengung
19,20 Polpaare
22, 23, 24, 25, 50,51,52,53 Elektromagnete
31 Erweiterung
32, 33, 34, 35 Kanten
36,37,38,39 Blockelektrodenpaare
40,41,42,43 Elektromagnete
48, 72, 73, 74, 75 Ausbuchtungen
49 Ansätze
54 Frequenzgenerator
55 Eingabeeinheit
56 Wandler- Verstärker-Einheit
58 Magnete
59 Fluidbehälter
60 Netzteil
76, 77, 78, 79 Magnete
B magnetische Flussdichte fL Lorentzkraftdichte j elektrische Stromdichte
N, S Pole
X-X Längsachse

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft, die von einer elektrischen Stromdichte j und einer magnetische Flussdichte B erzeugt wird, insbesondere zur Mischung,
Homogenisierung, Läuterung und Beschleunigung chemischer Reaktionen sowie physikalischer Prozesse in Glasschmelzen, wobei sich das Fluid in einem Behälter befindet an oder in dem zur Erzeugung der Stromdichte j Elektroden so angebracht sind, dass sie das Fluid kontaktieren und außerhalb des Behälters im Bereich der
Elektroden zur Erzeugung der Flussdichte B mindestens ein Magnet vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter Verengungen, Erweiterungen oder Kanten aufweist, in deren unmittelbarer Nähe die Pole N, S der Magnete zur Erzeugung der magnetischen Flussdichte B paarweise angeordnet sind.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Behälters paarweise Vertiefungen aufweist, in denen sich die gegenüberliegenden Pole N, S der Magnete befinden.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Behälters mindestens eine ringförmige Vertiefung quer zu seiner Längsachse aufweist, in der sich die gegenüberliegenden Pole der Magnete befinden.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Behälters mindestens zwei nutfö'rmige Vertiefungen in Umfangsrichtung quer zu seiner Längsachse aufweist, in der sich die gegenüberliegenden Pole der Magnete befinden.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wandung des Behälters mindestens eine ringförmige Erweiterung aufweist, die quer, vorzugsweise rechtwinklig zu seiner Längsachse gerichtet ist und zu deren beiden Seiten sich die Pole jedes Polpaares befinden.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, dass die
Wandung des Behälters mindestens zwei ringförmige Erweiterungen in Umfangsrichtung aufweist, die quer, vorzugsweise rechtwinklig zu seiner Längsachse gerichtet sind und zu deren beiden Seiten sich die Pole jedes Polpaares befinden.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit in Richtung seiner Längsachse verlaufenden Kanten versehen ist, denen zumindest teilweise Magnete derart zugeordnet sind, dass die Pole jedes Magneten symmetrisch zur jeweiligen Kante dem Behälter benachbart liegen.
8. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole jedes Magneten durch ein Joch aus ferromagnetischem Material verbunden sind.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Joch C-, U- oder V-förmig gestaltet ist.
1 O.Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als Blockelektroden ausgebildet und zwischen den Polen der Magnete angeordnet sind.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als Ringelektroden ausgebildet und konzentrisch zu seiner
Längsachse am Behälter angeordnet sind und einen axialen Abstand voneinander haben, in dem sich die Pole des Magnets/der Magnete befinden.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Blockelektroden in Form zweier axial beabstandeter Ringanordnungen am Behälter angeordnet sind und die Magnetpole sich zwischen den Ringanordnungen oder Blockelektroden befinden.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht, ein Fluid mit geringer elektrischer Leitfähigkeit enthält und an seiner Außenseite Ausbuchtungen aufweist, die zumindest teilweise von Magneten umschlossen sind.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht, ein Fluid mit geringer elektrischer Leitfähigkeit enthält und an seiner Außenseite Ansätze aufweist, die zumindest teilweise von Magneten umschlossen sind.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Steuereinheit, welche die elektrische Stromdichte j und die magnetische Flussdichte B mit den Frequenzen Vj und vB und der
Phasendifferenz ψj - φB in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangsparametern bereitstellt und steuert.
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