KAVITATIONS-ENTGASER

I. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Kavitations-Entgaser, insbesondere Entlüfter.

II. Technischer Hintergrund

Bekannt sind Kavitations-Mischer. Dabei wird eine Suspension oder Emulsion mit geringem Aufwand und z. B. ohne mechanisch angetriebene Teile in der Vorrichtung hergestellt, indem in der dahinströmenden Flüssigkeit zunächst dampfgefüllte Gasblasen erzeugt werden, die anschließend implosionsartig wieder zusam- menbrechen.

Wenn dieses Zusammenbrechen einer großen Anzahl von Blasen, der so genannten Kavitationsblasen, in der Nähe der Grenzfläche zwischen zwei Phasenbereichen, also etwa großen öltröpfchen in Wasser, geschieht, wird dadurch die zweite Komponente, in diesem Fall die öltröpfchen, in kleinere Einheiten zerrissen und dadurch eine sehr feine Vermischung der beiden Komponenten und damit eine sehr stabile Suspension oder Emulsion erzeugt.

Die Erzeugung der Kavitationsblasen geschieht in der strömenden Flüssigkeit durch einen Abfall des statischen Druckes unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, was wiederum durch Verringerung des Strömungsquerschnittes bewirkt wird, so

dass durch anschließende Aufweitung des Strömungsquerschnitts die Gasblasen wieder zusammenbrechen.

Vorzugsweise wird die abwechselnde Vergrößerung und Verkleinerung des Strö- mungsquerschnitts bewirkt werden durch die Anordnung von Hinderniskörpern, z. B. quer stehenden Scheiben, in einer Durchflusskammer hintereinander, wobei der verbleibende Spalt z. B. zwischen Hinderniskörper und umgebendem Gehäuse die Engstelle bildet.

Die zusätzliche Verkleinerung des Strömungsquerschnittes von einer Engstelle zur nächsten in Fließrichtung bewirkt, dass die Kavitationsblasen von Hindernis zu Hindernis unter einem immer höheren Druck entstehen, da der Dampfdruck des Mischgutes jeweils von Druckstufe zu Druckstufe steigt. Damit steigt auch die Zerfallenergie der Blasen zum Ausgang des Kavitators hin immer stärker an, was als Super-Kavitationsfeld bezeichnet wird.

IM. Darstellung der Erfindung

a) Technische Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, unter Nutzung der von Kavitationsmischern bekannten Komponenten einen Entgaser sowie ein Verfahren zum Entgasen zu schaffen.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh- rungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Für das Erzeugen der Gasblasen wird wie beim Kavitationseffekt ein Abfall des statischen Druckes in der Flüssigkeit, die eine Gaslösung darstellt, auf einen Wert unterhalb des Dampfdruckes der Gaslösung durch entsprechende Erhöhung der Fließgeschwindigkeit an definierten Durchflussspalten bewirkt.

Anstelle eines schnellen Auflösens dieser Kavitationsblasen durch Zerplatzen wird diesen jedoch Zeit gegeben, sich zu größeren Einheiten aneinander gegenseitig anzulagern. Zusätzlich sollte die Fließgeschwindigkeit an den einzelnen Durchlassspalten zwar jeweils so hoch sein, dass dort der Dampfdruck jeweils unterschritten wird, damit der Kavitationseffekt auftritt, jedoch sollte die Fließgeschwindigkeit betrachtet von einem Durchflussspalt zum nächsten in Durchströmungsrichtung dabei abnehmen. Dadurch sinkt jeweils der Dampfdruck und damit einhergehend auch die Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit.

Einmal erzeugte Blasen werden wenigstens teilweise bestehen bleiben und nicht mehr erneut am nächsten Durchflussspalt zerplatzen. Zu diesem Zweck werden die Durchflussspalte in Hauptströmungsrichtung von einem Hinderniskörper zum nächsten größer und nicht kleiner.

Die möglichst kleinen Gasblasen aus einem zusätzlichen Austreibgas dienen zusätzlich sozusagen als Kondensationskerne, also Anfangspunkte für das Anlagern weiterer Gasblasen, die an den einzelnen Durchlassspalten entstehen, aber anschließend nicht mehr sofort zerplatzen, sondern Zeit haben, sich zu größeren Einheiten zusammenzuschließen. Auch geht das zugeführte Austreibgas in der Gaslösung teilweise in Lösung über, und verdrängt dadurch das bisher darin gelöste Gas aus der Gaslösung noch stärker. Als Austreibgas wird allerdings vorzugsweise das gleiche Gas verwendet, welches aus der Gaslösung abgeschieden werden soll, - wobei dann dieser Effekt neutral ist - oder ein Gas, welches sich mit dem aus der Gaslösung abzutrennenden Gas im gasförmigen Zustand gut ver- mischt.

Ein hinsichtlich seiner Fläche größer werdender Durchflussspalt - getrennt durch nicht beengte Durchströmungsbereiche noch größerer Fläche - gemessen in Hauptströmungsrichtung, also der Strömungsrichtung der Gaslösung kann dadurch erzielt werden, dass die Hinderniskörper in ihrem Querschnitt in Haupt- Strömungsrichtung zunehmen und damit auch die Länge des Ringspaltes um die Hinderniskörper herum, und damit die Hinderniskörper einen in Strömungsrichtung breiter werdenden Konus bilden.

Die zentrale Achse zur Fixierung der Hinderniskörper in zentraler Position der Durchflusskammer kann dabei gleichzeitig hohl als Rohrleitung zum Zuführung eines Austreibgases in die Durchflusskammer benutzt werden.

Die Effizienz der Vorrichtung, die in der Regel in eine bestehende Rohrleitung eingesetzt wird, lässt sich steigern, indem - beispielsweise in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit im zuführenden Rohr, der Viskosität der einzelnen Komponenten und deren Mischbarkeit - die Hinderniskörper axial verstellt werden, und zwar in ihrem Abstand zueinander und/oder gruppenweise oder gar insgesamt relativ zum umgebenden Gehäuse, wodurch bei einem kegelförmigen Gehäuse auch das Absolutmaß der Ringspaltflächen verändert wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Hinderniskörper zum einen plattenförmig ausgebildet sind, um die Herstellung zu vereinfachen und zu verbilligen, und insbesondere so dünn ausgebildet sind, dass sie an ihren freien Kanten in Strömungsrichtung schwingen können, was das Erzeugen und Abreißen von Dampf- blasen erleichtert.

Ebenso wird diese Entwicklung erleichtert durch eine möglichst scharfkantige Ausbildung der Abrisskanten der Hinderniskörper, also z. B. der Platten.

Der Durchflussspalt zwischen Hinderniskörpern und Gehäuse kann bei z. B. runden Hinderniskörpern, also Scheiben, der radiale Spalt zwischen der freien außen umlaufenden Kante der Scheiben und dem umgebenden Gehäuse sein.

Es sind jedoch auch andere Ausbildungen möglich, bei denen beispielsweise die plattenförmigen Hinderniskörper an ihrem radial äußersten Punkt durchaus das Gehäuse erreichen und dort mit diesem verbunden sind, aber beispielsweise nicht über den gesamten Umfang, sondern nur segmentweise, und in den Segmenten dazwischen radial verlaufende Schlitze oder Spalte vorhanden sind, die in axialer Richtung zueinander von einem Hinderniskörper zum nächsten versetzt sein können und als Durchflussspalte dienen.

Die Neubildung von Dampfblasen und damit das Auftreten der Kavitation sowie das anschließende Zusammenballen der Blasen wird ferner gefördert durch eine möglichst große Länge der Abrisskanten.

Zu diesem Zweck können gerade bei scheibenförmigen Hinderniskörpern mit dem Umfang als Abrisskante diese durch gewellte oder gezackte Ausbildung in ihrer Länge vergrößert werden, wobei der ungerade Verlauf entweder bei Betrachtung in Axialrichtung oder in Querrichtung hierzu oder in beide Richtungen vorhanden sein kann.

Falls die ungerade, also gewellte oder gezackte, Form sich bei Betrachtung in Axialrichtung erschließt, kann auch das umgebende Gehäuse - betrachtet in axialer Richtung - analog ausgebildet sein, so dass über den gesamten Umfang ein jeweils gleich bleibender Querschnitt zwischen Gehäuse und Abrisskante eingehalten wird, oder das Gehäuse ist innen durchgehend rund ausgebildet, so dass in Umfangsrichtung die Abstände zur Abrisskante wechseln.

Wenn zusätzlich die Vorrichtung so gestaltet ist, dass in deren Betrieb bestimmte strömungstechnische Bedingungen eingehalten werden, ist der Effekt besonders ausgeprägt:

Wenn die Hinderniskörper zueinander und/oder zu dem umgebenden Gehäuse so positioniert und dimensioniert werden, dass sich die Fließgeschwindigkeit im

Durchflussspalt beim ersten Hinderniskörper in Strömungsrichtung verglichen zu dem Durchgangsspalt beim letzten Hinderniskörper um den Faktor 1 ,8 - 2,5, insbesondere um 2,0 - 2,3, höher ist.

Gleiches gilt, wenn erreicht wird, dass die Fließgeschwindigkeit vom einen zum nächsten Hinderniskörper im jeweiligen Durchgangsspalt jeweils um den Faktor 1 ,1 - 1 ,4 abnimmt.

Als optimales Verhältnis zwischen einfacher Bauform und hoher Effizienz der Vor- richtung hat sich eine Anzahl von Hinderniskörpern zwischen 3 und 10, insbesondere zwischen 5 und 7, herausgestellt.

Wenn bei Scheiben aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, die Dicke zwischen 1 und 4 mm, insbesondere zwischen 2 und 3 mm, beträgt, ist die Herstellung sehr einfach, insbesondere kann dabei noch eine im rechten Winkel zur Hauptebene der Platten stehende Schneidkante verwendet werden, und die Platten sind dennoch ausreichend elastisch.

Der axiale Abstand von Mitte zu Mitte zweier benachbarter Hinderniskörper sollte dabei zwischen dem Zweifachen und dem Siebenfachen der Dicke der Platten betragen, insbesondere das Dreifache bis Fünffache.

Die radiale Breite des Ringspaltes zwischen dem Außenumfang der plattenförmi- gen Hinderniskörper und dem Gehäuse sollte dabei zwischen 1 und 5 mm, insbe- sondere zwischen 1 ,5 und 3,8 mm, betragen.

Die Abrisskanten wirken dann besonders gut, wenn sie im Querschnitt betrachtet einen spitzen Winkel von weniger als 60°, insbesondere weniger als 50° oder gar 45°, besitzen und damit besonders scharf sind.

Insgesamt sollte die Vorrichtung so dimensioniert und gestaltet sein, dass sich über die Gesamtlänge der Vorrichtung ein Druckabfall von 2,5 - 3 bar einstellt.

Für die Verfügbarkeit in Längsrichtung können mehrere Hinderniskörper zu einer Gruppe zusammengefasst und nur gemeinsam in Längsrichtung entlang der zentralen Achse verlagerbar sein, vor allem im Bereich der letzten Hinderniskörper, was den baulichen Aufwand reduziert, die Effizienz aber nur untergeordnet verschlechtert.

c) Ausführungsbeispiele

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 : eine erste Bauform des Entgasers,

Fig. 2: eine zweite Bauform des Entgasers,

Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen Teil des Mischers,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Teil des Mischers und

Fig. 5: einen Querschnitt durch eine andere Bauform an diesem Teil des

Mischers.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen, senkrecht stehenden Entgaser 1 im Längsschnitt, also im Vertikalschnitt.

In Hauptdurchströmungsrichtung 10, insbesondere gerade, hintereinander, sind eine Vorkammer 5', eine Durchflusskammer 5, eine Strecke 17 mit konstantem Durchmesser und integriertem ersten Schauglas 33, und eine Beruhigungskammer 30 mit einem zweiten Schauglas 33 im oberen Bereich jeweils übereinander angeordnet.

In die Vorkammer 5' wird über eine radiale Eingangsöffnung 3a, die mit der zuführenden Rohrleitung 19 in Verbindung steht, die zu trennende Gaslösung zugeführt.

Die Vorkammer 5' verjüngt sich über eine Querschnittsverengung 13 zu einer engsten Stelle 18, und weitet sich von dort aus in Form der Durchflusskammer 5 wieder auf auf den ursprünglichen Querschnitt der Vorkammer 5'.

Im Bereich dieser Querschnittsaufweitung 14 sind entlang der Längsachse des vorzugsweise rotationssymmetrischen Entgasers 1 hintereinander Hinderniskörper 7a, b,..., vorzugsweise in Scheibenform, so dimensioniert und angeordnet, dass die Fläche der Durchlassspalte 6 zwischen jeweiligem Hinderniskörper und dem Gehäuse 2 von einem Hinderniskörper z. B. 7a zum nächsten z. B. 7b in Hauptdurchströmungsrichtung 10 zunimmt, und die Fläche des ersten Spaltes vorzugsweise auch größer ist als der freie Durchlass an der engsten Stelle 18.

Dabei sind die Hinderniskörper 7 an einer zentralen Achse 15 befestigt und entlang dieser auch in Längsrichtung verstellbar, die sich auch durch die engste Stelle 18 hindurch erstreckt und durch den stirnseitigen Abschluss in die Vorkammer 5' eintritt.

Wenigstens bis in die Vorkammer 5' hinein ist die zentrale Achse 15 als Rohrleitung 16 ausgebildet oder von einer solchen Rohrleitung 16 umgeben, in welcher durch den stirnseitigen Abschluss der Vorkammer 5 hindurch ein Austreibgas 23 über ein die Zugabemenge regulierendes Stellventil 28 in die Vorkammer 5' in möglichst fein verteilter Form eingegeben wird, wozu die Rohrleitung 16 im Bereich der Vorkammer 5' radial kleine Bohrungen aufweist.

Am Ende der Querschnittsaufweitung 14 schließt sich ein Bereich 17 mit konstantem Durchmesser an, in dessen Verlauf ein Schauglas 33 angeordnet ist, um den bis hierher stattgefundenen Grad der Entmischung beobachten zu können.

Diese Strecke 17 geht über in eine demgegenüber vom Querschnitt her stark aufgeweitete Beruhigungskammer 30 bzw. ragt in diese Beruhigungskammer 30 in Form eines Rohrstutzens hinein. Der Rohrstutzen ist durch einen Diffusor 32 in Form eines Korbsiebes abgedeckt, um ein weiteres Zusammenballen der bereits gebildeten Gasbläschen an den Streben des Siebes zu fördern.

Unterhalb des Niveaus der Einlauföffnung 9 in die Beruhigungskammer 30, nämlich im kegelstumpfförmigen Wandbereich 25 des sich aufweitenden Querschnit- tes, ist die zweite Ausgangsöffnung 4b zum Abziehen der schweren, also meist der flüssigen, Komponente 22 angeordnet. Oberhalb dieser Ausgangsöffnung 4b verläuft vorzugsweise über den gesamten Querschnitt der Beruhigungskammer 30 ein Sieb hinweg, entweder zusätzlich oder anstelle des Korbsiebes der Einlauföffnung 9.

Zusätzlich kann auch radial innerhalb dieser Auslassöffnung 22b eine vertikal aufragende Ringwand 26 den Einlauf 9 umgeben, um ein direktes ungehindertes überströmen von der Einlauföffnung 9 in diese Ausgangsöffnung 4b zu verhindern.

In Durchflussrichtung oberhalb der Einlauföffnung 9 ist weiterhin ein Abweiserkonus 31 angeordnet, gegen den die bereits teilweise aufgeteilte Gaslösung prallen soll und die Entmischung fördern soll.

Stromabwärts, also oberhalb des Abweiserkonus 31 , verjüngt sich der Querschnitt der Beruhigungskammer 30 wieder zum Querschnitt entsprechend der Strecke 17 mit konstantem Durchmesser, und verläuft auch wiederum über eine gewisse Strecke mit konstantem Durchmesser, so dass darin ein zweites Schauglas 33 angeordnet werden kann.

Daran schließt sich eine Verjüngung nach oben in Form einer halbkugelförmigen Kuppel oder eines Konus an, an deren engster Stelle die andere Ausgangsöff-

nung 4a für das Abziehen der leichteren, in der Regel einer gasförmigen, Komponente 21 angeordnet ist.

Diese Ausgangsöffnung 4a wird verschlossen von einem Ventil 35 ^' , welches bei- spielsweise mittels eines Schwimmers 36 arbeitet, der auf der flüssigen, schweren Komponente 22 schwimmt und die Ausgangsöffnung 4a verschließt, wenn das Niveau der Grenze der Komponente 21 und 2 hoch genug steigt.

Soweit sich jedoch bei geschlossenem Ventil 35 genug Gas als leichtere Kompo- nente 21 im obersten Bereich vor dem Ventil 35 angelagert hat, verliert der Schwimmer 36 den Kontakt mit der Auslassöffnung 4a und die leichtere Komponente entweicht.

Figur 3 zeigt eine spezielle Bauform der Hinderniskörper 7 in Form von vorzugs- weise einzelnen, jedoch zumindest am Außenumfang dünnen Scheiben T.

Deren Dicke ist relativ zu ihrer Materialelastizität so ausgelegt, dass sie zumindest an ihrem freien äußeren Rand in und gegen die Durchströmungsrichtung 10 flexibel schwingen können, wodurch das Eintreten des Kavitationseffektes be- schleunigt wird. Zu diesem Zweck sind die Scheiben T im Zentrum gehalten und gegebenenfalls die Scheiben in der Höhe der freien umlaufenden Kanten dünner als der Rest ausgebildet.

Die Figuren 4 und 5 zeigen spezielle Lösungen zur Gestaltung des Durchfluss- Spaltes 6:

Bei Figur 4 wird analog der Figuren 1 und 2 davon ausgegangen, dass der Durch- fluss-Spalt 6 ein ringförmig umlaufender Spalt zwischen dem inneren Hinderniskörper 7 und den radial außen, den Hinderniskörper 7 umgebendem, Gehäuse 2, ist.

Zur Verlängerung der Abrisskante 8, also der umlaufenden Außenkante des Hinderniskörpers 7 und damit Verbesserung der Kavitationswirkung zeigt Figur 4, wie in Längsrichtung betrachtet eine Verlängerung erreicht werden kann durch gewellte oder gezackte Ausführung der Abrisskante 8. Wenn der Durchflussspalt 6 über den Umfang gleich breit bleiben soll, ist auch die Innenkontur des Gehäuses 2 analog gestaltet.

Figur 5 zeigt dagegen eine Lösung, bei der Durchflussspalt 6' kein ringförmig umlaufender Spalt zwischen dem Hinderniskörper 7" und dem Gehäuse 2 ist:

Vielmehr ist der Hinderniskörper 7" an seinem Außenumfang teilweise mit dem Gehäuse 2 verbunden, jedoch weist der Hinderniskörper 7" vom äußeren Rand nach innen bis fast ins Zentrum mehrere, etwa radial verlaufende Durchfluss- Spalte 6' auf, die sich radial von innen nach außen beispielsweise erweitern kön- nen. Diese etwa radial verlaufenden Abrisskanten 8 können gerade ausgebildet sein und genau radial verlaufen, oder auch gezackt (Abrisskante 8') oder auch gewellt (Abrisskante 8") ausgebildet sein.

Fig. 2 zeigt eine zweite Bauform des Entlüfters, die sich von derjenigen gemäß Fig. 1 nur in wenigen Details unterscheidet:

Die Hinderniskörper 7 sind fest miteinander verbunden und nur gemeinsam gegenüber der zentralen Achse axial verstellbar.

Die Ausgangsöffnung 4b für die schwerere Komponente 22 befindet sich im zylindrischen Abschnitt der Beruhigungskammer 30, also unmittelbar nach dem die Querschnittserweiterung darstellenden Wandbereich 25. Auf einen zusätzlichen Diffusor ist verzichtet.

Anstelle eines Abweiserkonus 31 ist ein konusartiges Gebilde 31' mit einer gebogenen Prallfläche, die von der Mitte nach außen ansteigt und dabei eine konkave nach unten offene Wölbung aufweist, verwendet, die mit dem freien Ende der

zentralen Achse 15 verbunden ist und einen Durchmesser von mindestens der Hälfte, besser mindestens zwei Dritteln des Durchmessers der Beruhigungskammer 30 aufweist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Entmischer

2 Gehäuse

3a,b Eingangsöffnung

4a,b Ausgangsöffnung

5 Durchflusskammer

5 ¹ Vorkammer

6 Durchfluss-Spalt

7 Hinderniskörper

8 Kante

9 Einlauföffnung

10 Hauptströmungsrichtung

13 Querschnittsverengung

14 Querschnittsaufweitung

15 zentrale Achse

16 Rohrleitung

17 Strecke konstanter Durchmesser

18 engste Stelle

19 Rohrleitung

21 leichtere Komponente

22 schwerere Komponente

23 Austreibgas

24 Bohrung

25 Wandbereich

26 Ringwand

28 Stellventil

30 Beruhigungskammer

31 Abweiserkonus

32 Diffusor

33 Schauglas

35 Ventil

36 Schwimmer

F Fläche

F ₆ Fläche von 6

V Fließgeschwindigkeit