DE3522087C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Homogenisator der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art.

Am zweckmäßigsten ist die Erfindung bei der Aufbereitung schwerer Kraftstoffe vor deren Ver­ brennung in Brennkraftmaschinen anzuwenden.

Außerdem kann diese Erfindung in der Landwirtschaft, im Bauwesen, im Bergbau, in der chemischen Industrie und in anderen Branchen angewendet werden, wo die Herstellung von feindispersen Gemischen aus Flüssigkeiten, die feine und grobe Einschlüsse oder organische Stoffe enthalten, er­ forderlich ist. Die Homogenisatoren der genannten Bauart, können bei der Zubereitung verschiedener Anstrichstoffge­ mische breite Anwendung finden. Die Erfindung kann auch zur Homogenisierung von Milchprodukten verwendet werden.

Die Wirkungsweise der zur Zeit bekannten Homogenisato­ ren beruht auf der künstlichen Schaffung von Bedingungen, z. B. solchen wie Flüssigkeitsschlag, Schubeffekt, Schereffekt, Ultraschallbehandlung u. a., unter denen in einer zu be­ handelnden Flüssigkeit Wirbelströmungen und ein Kavitations­ effekt entstehen. Infolge einer solchen Behandlung wird die zu behandelnde Flüssigkeit feindispers.

Aus dem SU-Urheberschein 2 37 817 ist ein Homogenisator mit geschlitztem Rotor bekannt, der aus einem schnellaufenden Motor und einem mit ihm verbundenen Rotor besteht, welcher als Kegelstumpf ausgebil­ det ist, der sich in einem Stator der gleichen Form dreht. Im schmalen Ende des Stators befinden sich Eintrittsstutzen und im breiten Ende befinden sich ein Austrittsstutzen. Die Stutzen verlaufen in tangentialer Richtung. Die Arbeits­ flächen von Rotor und Stator sind rauh bzw. mikrogezahnt aus­ geführt.

Das Vorhandensein eines verhältnismäßig großen Spaltes zwischen dem Rotor und dem Stator bei zulässigen Rotordreh­ zahlen gestattet es jedoch nicht, ein hohes Druckgefälle zu erzeugen, wodurch der Kavitationseffekt ungenügend ausgenutzt wird und somit die erforderliche Homogenisierung der Flüssig­ keit nicht gewährleistet ist. Außerdem kann der auf diese Weise behandelte Kraftstoff zum Verbrennen in Brennkraft­ maschinen nicht verwendet werden, da die in ihm enthaltenen Asphaltharzeinschlüsse nicht zerfallen.

Aus der US-PS 23 91 658 ist ein Homogenisator bekannt, der eine mechanische Mischervorrichtung des Kolloidmühlen-Typs, welche die lei­ tende Wirkung des Flüssigkeitsstrahls gewährleistet, und eine Einrichtung zur Nachbehandlung von teilweise behan­ deltem Material enthält. Die Vorrichtung, die die leitende Wirkung des Flüssigkeitsstrahls gewährleistet, besteht aus einem Rotor und einem Stator, die mit tangentialen Schlit­ zen versehen sind. Das flüssige Medium bewegt sich vom Zen­ trum zur Peripherie und durchströmt diese Schlitze. Die Schlitze im Rotor sind so ausgeführt, daß das zu homogenisierende Medium mitgenommen und in den Hohlraum zwi­ schen dem umlaufenden Rotor und dem Stator geschleu­ dert wird. Danach gelangt die Flüssigkeit in die radialen Konfusorspalte des Stators, die so angeordnet sind, daß sich die Strömungsrichtung um einen gewissen Winkel ändert. Die Homogenisierung des Mediums kommt infolge eines "Schubeffek­ tes" zustande, der zwischen den Oberflächen von Rotor und Stator entsteht. Jedoch gewährleistet die Einrichtung nicht die erforderli­ che Homogenität der Flüssigkeit, weil die Kavitationsprozes­ se bei großem Energieaufwand sehr schwach in Erscheinung treten. Die in der Flüssigkeit anwesenden Einschlüsse und organischen Stoffe zerfallen nicht, und die Flüssigkeit bleibt grobdispers.

Aus der GB-PS 13 81 156 ist ferner ein Homogenisator bekannt, der zumindest aus einem Paar zusammenwirkender Elemente besteht, von denen das eine unbeweglich ist und das andere eine drehende Bewegung ausführt. An jedem Element sind längs der Drehachse ringför­ mige Zahnreihen konzentrisch angeordnet. Die Zähne jedes Elementes haben eine Form, die der Form des zwischen den Zähnen befindlichen Raumes des anderen Elementes entspricht.

Während des Arbeitsprozesses überdecken die an den beiden Elementen befindlichen Zähne in radialer Richtung den Lauf der Flüssigkeit, die vom Zentrum des Elementes zur Peripherie strömt. Die Kavitation wird durch den Schereffekt der Zähne des einen Elementes in bezug auf die Zähne des anderen Elementes erzielt. Bei diesem Homogenisator ist eine unzureichende Kavitationsfähigkeit zu verzeichnen, da die Geschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit auf ihrem Weg vom Zentrum zur Peripherie unterschiedlich ist, so daß demzufolge der Druck in der Flüssigkeit in verschiedenen Abschnitten unterschiedlich ist. Als Folge davon, daß zwischen den Elementen ein Spalt besteht, wird die in ihm befindliche Flüssigkeit, nicht behandelt, überdies ist dieser Homogenisator sehr schwer in der Herstellung, verlangt eine hohe Genauigkeit und ist demnach sehr teuer.

Aus der GB-PS 7 87 764 ist ein Homogenisator bekannt, der ein zylindrisches Gehäuse aufweist, das an einem Ende einen Einlaß für das zu homogenisierende Medium und am anderen Ende einen Auslaß für das homogensierte Medium aufweist. In dem Gehäuse ist ein Stator mit Statorschaufeln vorgesehen, die von der zylindrischen Innenwand des Gehäuses radial nach innen vorstehen und in mindestens einer Reihe angeordnet sind. Die Statorschaufeln einer Reihe liegen dabei in einer Ebene. In dem Gehäuse ist ferner ein Rotor angeordnet, dessen Rotorschaufeln von der Welle des Rotors radial nach außen, d. h. zur zylindrischen Innenwand des Gehäuses wegragen und in mindestens einer Reihe angeordnet sind. Die Rotorschaufeln einer Reihe liegen gleichfalls in einer Ebene, die parallel zu der der Statorschaufeln ist. Die benachbarten Seitenflächen der Stator- und Rotorschaufeln verlaufen parallel. Der zwischen den benachbarten Flächen der Rotor- und Statorschaufelreihen ausgebildete Spalt ist so gewählt, daß das zwischen die beiden Schaufelreihen gepreßte Material bei einer relativen Bewegung zwischen der Rotorschaufelreihe und Statorschaufelreihe einem Schereffekt unterworfen wird. Dieser Homogenisator eignet sich besonders für thermoplastische Materialien, die bei der Verarbeitungstemperatur in Flüssigkeiten mit relativ geringer Viskosität umgewandelt werden können.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den Homogenisator der eingangs bzw. vorstehend beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß ein hydrodynamischer Schlag erzeugt und ein größerer Homogenitätskoeffizient für die zu behandelnde Flüssigkeit sichergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Hierbei ist es aus der GB-PS 2 35 958 für sich bekannt, die Rotorschaufeln keilförmig auszubilden.

Mit Hilfe der Erfindung kann ein hydrodynamischer Schlag in der zu behandelnden Flüssigkeit sichergestellt werden, wodurch die in ihr befindlichen Einschlüsse oder organischen Stoffe zerkleinert werden und das zu behandelnde Medium eine feindisperse Struktur annimmt.

Da die zu behandelnde Flüssigkeit verschiedene Dichten im Volumen aufweist, vollführen die Rotorschaufeln in Folge der axialen Hin- und Herbeweglichkeit des Rotors relativ zum Gehäuse Mikroschwingungen in bezug auf die Statorschaufeln, was den Homogenitätskoeffizienten der zu behandelnden Flüssigkeit beträchtlich vergrößert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.

So empfiehlt es sich, den Homogenisator mit einer Vielzahl von Stator- und Rotorschaufeln zu versehen, die so angeordnet sind, daß sich jede Rotorschaufelreihe zwischen zwei Statorschaufelreihen befindet. Eine solche Ausführung des Homogenisators gewährleistet eine mehrmalige Behandlung der Flüssigkeit und schafft die erforderlichen Bedingungen, daß das gesamte, im Homogenisator befindliche Flüssigkeitsvolumen behandelt wird.

Es ist vorteilhaft, die Rotor- und Statorschaufeln im Querschnitt betrachtet in Form von Sektoren durchzuführen, die radial verlaufende Rippen aufweisen, wodurch die effektivsten Bedingungen für den Kavitationsprozeß geschaffen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Homogenisators im Längschnitt, und

Fig. 2 im Querschnitt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der gegenseitigen La­ ge der Schaufeln bei der Druckerzeugung in der Flüssigkeit;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der gegenseitigen An­ ordnung der Schaufeln bei der Entspannung der Flüssigkeit.

Der Homogenisator besteht aus einem Gehäuse 1 in dessen Innenraum feststehende Statorschaufeln 2 und eine Antriebswelle 3 untergebracht sind.

Damit die gesamte Oberfläche der Schaufeln 2 wirken kann, stehen diese ins Innere des Gehäuses 1 radial vor.

Die Schaufeln 2 sind in vier Reihen ange­ ordnet, von denen jede jeweils in einer Ebene liegt, was den vielfachen Prozeß der Behandlung der Flüssigkeit und eine beträchtliche Verstärkung von Kavitationsprozessen si­ cherstellt. Die stirnseitigen Teile des Gehäuses 1 sind mit einem Einlaß 4 bzw. einem Auslaß 5 ver­ sehen. Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich ein Rotor 6, auf dessen Außenfläche Rotorschaufeln 7 angebracht sind. Damit die gesamte Oberfläche der Schaufeln 7 wirken kann, sind diese ins Innere des Gehäuses 1 radial vorstehend ange­ ordnet. Die Schaufeln 7 sind in drei Reihen angeordnet, von denen jede jeweils in einer Ebene liegt, was den vielfachen Prozeß der Behandlung der Flüssigkeit und eine beträchtli­ che Verstärkung von Kavitationsprozessen sicherstellt. Die Rotorschaufeln 7 und die Statorschaufeln 3 (Fig. 3) weisen einen keilförmigen Querschnitt auf und sind so angeordnet, daß die Spitzen der Keile der Statorschaufeln 2 und der Ro­ torschaufeln 7 einander zugewandt und die benachbarten Sei­ tenflächen derselben zueinander parallel sind, was die Er­ zeugung eines hydrodynamischen Schlags gewährleistet. Der Rotor 6 (Fig. 1) ist mittels axialer Federn 8 und 9 abgefe­ dert, die am Rotor 6 zwischen seinen Rotorschaufeln 7 und den stirnseitigen Teilen des Gehäuses 1 angeordnet sind und Mi­ kroschwingungen des Rotors gewährleisten, welche die Kavi­ tationseinwirkung auf die zu behandelnde Flüssigkeit be­ trächtlich verstärken.

Der Homogenisator arbeitet folgenderweise. Über den Einlaß 4 gelangt die Flüssigkeit in den Homogenisator. Im Augenblick des Auseinanderlaufens der Rotorschaufeln 7 und der Statorschaufeln 2 füllt die Flüssig­ keit den freien Raum aus und beginnt, bei der weiteren Dre­ hung des Rotors 6 infolge der Volumenverringerung zusammen­ gedrückt zu werden. Im Augenblick des Zusammenlaufens der Rotorschaufeln 7 und der Statorschaufeln 2 erreicht der Flüssig­ keitsdruck (die Druckverteilung in der Flüssigkeit ist in Fig. 3 durch Pfeile angedeutet) seine Maximalwerte. Im nach­ folgenden Augenblick des Auseinanderlaufens der Rotorschaufeln 7 und der Statorschaufeln 2 (Fig. 4) findet eine schroffe Druckab­ nahme in der Flüssigkeit statt, wobei infolgedessen in der Flüssigkeit Kavitationsprozesse entstehen und sich entwickeln. Im Laufe dieses Zyklus vollführt der Rotor 6 (Fig. 1) unter der Wirkung der Flüssigkeit und der axialen Federn 8 und 9 eine hin- und hergehende Bewegung, was in bedeutendem Maße zum Kavitationsprozeß beiträgt und folglich den Homogeni­ sierungskoeffizienten vergrößert.

Somit entstehen in der Flüssigkeit infolge der Druck­ pulsation Kavitationszonen, wodurch die Zerstörung der Einschlüsse an organischen Stoffen und die Zerkleinerung von Wasserglobulen vor sich gehen.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Homogenisators im Kraftstoffaufbereitungssystem von Brennkraftmaschinen ver­ ringert er die Abfälle des brennbaren Kraftstoffteils (Asphalt­ harzstoffe), die sich an Filtern abscheiden, und erlaubt es, eine Einsparung des Kraftstoffes von 0,5-3% je nach seiner Art zu erzielen.

Claims (4)

1. Homogenisator mit einem zylindrischen Gehäuse (1), das an seinem einen Ende einen Einlaß (4) das zu homogenisierende Medium und an seinem anderen Ende einen Auslaß (5) für das Gemisch hat, mit einem Stator in dem Gehäuse, dessen Statorschaufeln (2) von der zylindrischen Innenwand des Gehäuses radial nach innen vorstehen und in mindestens einer Reihe angeordnet sind, wobei die Statorschaufeln (2) einer Reihe im wesentlichen in einer Ebene liegen, und mit einem Rotor (6) in dem Gehäuse (1), dessen Rotorschaufeln (7) von der Welle des Rotors radial nach außen vorstehen und in mindestens einer Reihe angeordnet sind, wobei die Rotorschaufeln einer Reihe im wesentlichen in einer Ebene liegen, die zu den Statorschaufeln parallel ist, und wobei die benachbarten Seitenflächen der Statorschaufeln und der Rotorschaufeln parallel sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln und die Rotorschaufeln in einem Schnitt gebildet durch eine Ebene, welche die Rotorachse enthält, einen keilförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Spitzen der Keile der Statorschaufeln den Spitzen der Keile der Rotorschaufeln zugewandt sind, und daß der Rotor relativ zu dem Gehäuse axial hin- und herbeweglich ist.

2. Homogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6) in bezug auf das Gehäuse (1) auf beiden Seiten in Achsrichtung des Rotors (6) abgefedert ist.

3. Homogenisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Reihen von Statorschaufeln (2) und Rotorschaufeln (7) vorgesehen ist, die so angeordnet sind, daß sich jede Reihe Rotorschaufeln zwischen zwei Reihen Statorschaufeln (2) befindet.

4. Homogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (7) und die Statorschaufeln (2) in Querschnittsansicht die Form von Sektoren aufweisen, die mit radial verlaufenden Rippen versehen sind.