DE4223434C1 - Scheibenförmiges Mischwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein scheibenförmiges Mischwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Mischwerkzeug ist bereits aus der US-PS 40 07 920, Fig. 18, bekannt. Dieses bekannte Mischwerkzeug ist scheibenförmig ausgebildet, um eine Mittelachse drehbar und mit mehreren axialen, durchgehenden Bohrungen versehen, wobei eine der beiden Seiten der Scheibe konvex ausgebildet ist. Die durchgehenden Bohrungen dienen dazu, Luft, welche welche an der Oberseite des Mischwerkzeugs angrenzt, in die an der Unterseite des Mischwerkzeugs angrenzende Flüssigkeit einzurühren. Die Mischwirkung dieses bekannten Werkzeuges ist jedoch verbesserungsbedürftig, da für eine vollständige Vermischung von Flüssigkeit und Gas das bekannte Mischwerkzeug relativ lange rotieren muß und daher viel Energie verbraucht wird.

Ein weiteres Mischwerkzeug der eingangs genannten Art ist Gegenstand von zwei älteren, nicht vorveröffentlichten Vorschlägen der Anmelderin. Dabei ist das Mischwerkzeug als diskusförmige Scheibe ausgebildet und weist an ihrer Ober- und Unterseite unterschiedliche Wölbungen auf. Die Scheibe selbst wird durch einen Antrieb in Drehung versetzt, so daß infolge des Bernoulli-Effekts eine Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite entsteht. Da die Scheibe mehrere axiale Bohrungen aufweist, tritt eine axiale, durch die Druckdifferenz hervorgerufene Strömung zwischen der Unter- und Oberseite auf. Die axialen Bohrungen werden dabei durchströmt, so daß durch die Strömung von der Unterseite zur Oberseite eine intensive Durchmischung von mehreren Fluiden erfolgen kann. Die bekannte Scheibe ist darüber hinaus mit einem messerscharfen Umfangsrand ausgebildet, um eine Umströmung der Scheibe zu verhindern. Die Strömung ist bei einer Drehzahl von 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute und einem Scheibendurchmesser von 42 mm so stark, daß am Umfangsrand der Scheibe Kavitation auftritt und daß sogar Gase in kleinste Bläschen zerlegt und in Fluiden gelöst werden können, womit feinste Schäume, Suspensionen und Emulsionen erzeugt werden.

Kavitationserscheinungen treten beispielsweise auch bei Turbinenschaufeln oder Schiffsschrauben auf. Wenn einer Flüssigkeit eine hohe Strömungsgeschwindigkeit verliehen wird, kommt es zur Bildung von Hohlräumen mit starkem Unterdruck in der Flüssigkeit. Beim Implodieren dieser Hohlräume werden Druckstöße frei, welche bei Turbinenschaufeln und Schiffsschrauben zu einer Beschädigung in Form von Kavitationserosion oder Kavitationskorrosion führen.

Die Scheiben gemäß den beiden obigen älteren Vorschlägen der Anmelderin haben sich zwar im Einsatz bewährt, es wird jedoch danach getrachtet, deren Kavitationswirkung noch weiter zu steigern, um das Vermischen von Flüssigkeiten und/oder Gasen noch schneller und noch vollständiger zu bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mischwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß ein schnelleres und vollständigeres Vermischen von Flüssigkeiten und/oder Gasen erreicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem Mischwerkzeug nach der Erfindung sind die Bohrungen jeweils an der Ober- als auch an der Unterseite des Mischwerkzeugs konisch angefast und der Umfangsrand ist messerscharf ausgebildet, so daß tragflügelartige Profile gebildet sind. Einerseits entsteht damit in radialer Richtung zwischen den Bohrungen und dem messerscharfen Umfangsrand ein Flügelprofil, andererseits in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Bohrungen jeweils ein weiteres Flügelprofil. Das führt dazu, daß beim Eintauchen des sich drehenden Mischwerkzeugs in ein Fluid oder in mehrere zu mischende Fluide Zyklone entstehen. An der Oberseite des Mischwerkzeugs entsteht ein Unterdruck, wodurch an der Unterseite anstehendes Fluid eine Sogwirkung erfährt. Pro Bohrung entsteht im Bereich der Bohrung auf der Unterseite des Mischwerkzeugs ein Zyklon aus Fluid. Nach dem Durchströmen der Bohrungen führen die Adhäsionskräfte an der Oberseite des Mischwerkzeugs verbunden mit einer hohen Zentrifugalkraft dazu, daß Fluid radial weggeschleudert wird. Im Bereich hoher Scherkräfte, vorwiegend an dem messerscharfen Umfangsrand tritt Kavitation ein. Durch die Flügelprofile in radialer und in Umfangsrichtung bildet sich aufgrund der Druckdifferenzen zwischen Ober- und Unterseite eine definierte Strömungsrichtung aus. Zudem werden die Durchströmung der Bohrungen und das anschließende Umströmen der Oberseite des Mischwerkzeugs in radialer Richtung wesentlich verbessert, wodurch die Sogwirkung erhöht wird, Strömungsverluste vermieden werden und dank einer dadurch erhöhten radialen Strömungsgeschwindigkeit die Kavitationswirkung und der Mischeffekt verbessert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Mischwerkzeugs nach der Erfindung und zwei Zyklone,

Fig. 2 eine Unteransicht des Mischwerkzeugs nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Mischwerkzeugs nach der Linie 3-3 in Fig. 2, und

Fig. 4 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des Mischwerkzeugs nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Mischwerkzeug 11, das eine Oberseite 13 und eine Unterseite 15 besitzt. An der Oberseite 13 erstreckt sich ein axial vorstehender Flansch F zentrisch zu einer Mittelachse Z des Mischwerkzeugs 11 und hat eine zentrische Bohrung 30, über die das Mischwerkzeug 11 mit einem Antrieb R verbunden und in Rotation versetzbar ist. Das Mischwerkzeug 11 weist einen messerscharf ausgebildeten Umfangsrand 19 sowie vier axiale, durchgehende Bohrungen 17 auf.

Die Bohrungen 17 sind sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite 13, 15 jeweils konisch angefast, beispielsweise durch einen speziell ausgebildeten Kegelsenker, dessen Spitze in Richtung zu der Mittelachse Z des Mischwerkzeugs 11 gerichtet ist. In Bereichen 27, 27′ axial zwischen den Anfasungen sind die Bohrungen 17 zudem jeweils derart abgerundet, daß in radialer Richtung zwischen den Bohrungen 17 und dem messerscharf ausgebildeten Umfangsrand 19 die Nase eines Flügelprofils 21 entsteht.

Das Mischwerkzeug 11 weist an seiner Ober- und Unterseite 13, 15 ein flaches, gewölbtes Profil auf. Vorzugsweise hat die Unterseite 15 ein flacher gewölbtes Profil als die Oberseite 13, so daß das Flügelprofil 21 in radialer Richtung einem Flugzeugtragflügelprofil angeglichen ist und sich damit ähnlich wie bei der Auftriebswirkung an einem Flugzeugtragflügel eine weiter unten noch näher erläuterte Sogwirkung einstellt, die wesentlich stärker ist, als wenn Ober- und Unterseite die gleiche Wölbung hätten.

Fig. 2 zeigt die Bohrungen 17, welche auf dem Umfang des Mischwerkzeugs 11 auf einem konzentrischen Kreis desselben gleichmäßig verteilt angeordnet sind und jeweils den gleichen Durchmesser besitzen. Darüber hinaus ist es jedoch auch denkbar, verschieden große Bohrungen 17 auf mehreren konzentrischen Kreisen des Mischwerkzeugs 11 verteilt anzuordnen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2 durch zwei benachbarte Bohrungen 17. Dabei ist zu erkennen, daß zwischen den Bohrungen 17 in Umfangsrichtung ebenfalls ein Flügelprofil 23 entsteht, welches keinen ganz idealen Flügelprofilquerschnitt besitzt, da das Flügelprofil 23 nicht wie das Flügelprofil 21 in radialer Richtung spitz ausläuft, sondern Radien im Bereich 27′ axial zwischen den Anfasungen hat. Die konischen Anfasungen der Bohrungen 17 an der Ober- und Unterseite 13, 15 liegen jeweils auf der Mantelfläche eines gedachten Kegelstumpfes, dessen Symmetrielinie in zu dem Mischwerkzeug 11 entgegengesetzter Richtung von der Mittelachse Z desselben weg nach außen geneigt ist. Bei der Herstellung der Ansenkungen durch einen Kegelsenker ergibt sich diese Geometrie daraus, daß der Kegelsenker relativ rechtwinklig zu der Ober- bzw. Unterseite 13, 15 gestellt wird, was bei dem Mischwerkzeug 11 mit gewölbtem Profil bedeutet, daß der Kegelsenker derart schräg gestellt wird, daß seine Spitze zu der Mittelachse Z gerichtet ist.

Es ist außerdem möglich, gemäß Fig. 4 die Oberseite 13 zwischen der Mittelachse Z und dem Umfangsrand 19 konkav axial nach innen und die Unterseite 15 konvex axial nach außen zu krümmen. Auch dabei ergibt sich zusammen mit den Ansenkungen ein Flügelprofil jeweils in Radial- und in Umfangsrichtung.

Der Flansch F ist zwar vorteilhaft, er kann aber durchaus auch weggelassen und der Antrieb R durch andere übliche Verbindungselemente angeschlossen werden.

Die hier verwendeten Begriffe Ober- und Unterseite sind gegeneinander austauschbar. Das hätte nur Einfluß auf die Strömungsrichtung.

Die Wirkungsweise des Mischwerkzeugs wird im folgenden anhand von Fig. 1 näher erläutert.

Das Mischwerkzeug 11 wird in einen nicht gezeigten Behälter, in den beispielsweise Wasser und Öl gefüllt sind, lediglich mit der Unterseite eingetaucht, so daß die Oberseite 13 nicht benetzt ist. Der Antrieb R treibt das Mischwerkzeug 11 an, so daß dieses sich z. B. mit ca. 6000 Umdrehungen pro Minute dreht.

Bei Mischern herkömmlicher Art, z. B. in Form eines Quirls, wird die Vermischung durch vorstehende Kanten erzeugt, welche die Flüssigkeit mitreißen. Bei einem Quirl, welcher schraubenförmig gewunden ausgebildet ist, wird das zu vermischende Fluid zusätzlich durch eine entstehende Förderwirkung in Richtung zur Fluidoberfläche transportiert und darüber hinaus durch die Zentrifugalkraft und die vorstehenden Kanten nach außen geschleudert, wodurch die gewünschte Vermischung eintritt.

Das scheibenförmige Mischwerkzeug 11 wirkt zwar wie ein Rührer, arbeitet jedoch nach einem anderen Prinzip. Bei Rotation des Mischwerkzeugs 11 entsteht durch den Bernoulli-Effekt zwischen der Ober- und Unterseite 13, 15 eine Druckdifferenz. Ein entstehender Unterdruck an der Oberseite 13 bewirkt, daß Fluid an der Unterseite 15 angesaugt wird. Die Sogwirkung ist dabei so groß, daß mehrere Zyklone 25, ähnlich Windhosen, entstehen. Die Anzahl der Zyklone 25 entspricht der Anzahl der Bohrungen 17 in dem Mischwerkzeug 11. Auch der Durchmesser der Zyklone 25 ist annähernd gleich dem Bohrungsdurchmesser. Das so in Bewegung versetzte Fluid strömt unter hoher Geschwindigkeit nach oben und durchströmt die axialen Bohrungen 17. Durch die Adhäsion der Flüssigkeit an der Oberseite 13 erfährt das Fluid eine zusätzliche Zentrifugalkraft und wird radial nach außen geschleudert. Damit wird die turbulente Strömung im Bereich der Zyklone 25 nach Durchströmen der Bohrungen 17 laminar ausgerichtet, wodurch sich an der Oberseite 13 eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und daraus resultierend ein höherer Differenzdruck zwischen Oberseite 13 und Unterseite 15 ergibt.

Die auftretende Stromlinie von einzelnen Fluidteilchen ist nicht exakt radial in bezug auf das Mischwerkzeug 11. Wegen der Überlagerung von Umfangsgeschwindigkeit und radialer Geschwindigkeit ergibt sich ein bogenförmiger Strömungsverlauf der Fluidteilchen und damit des Fluids in Richtung Umfangsrand 19 des Mischwerkzeugs 11. Die Oberseite 13 wird dabei ohne große zusätzliche Verwirbelungen und Strömungsverluste glatt und laminar, ähnlich einem Flugzeugtragflügel, umströmt.

Fluidteilchen, die die Bohrungen 17 durchströmt haben, können nicht nur im Bereich der Bohrungen 17, welcher nahe am Umfangsrand 19 des Mischwerkzeugs 11 liegt, an die Oberseite 13 gelangen und nach außen geschleudert werden, sondern es ist ebenso möglich, daß Fluidteilchen im Bereich der Bohrungen 17 nahe der Mittelachse Z an die Oberseite 13 gelangen. Dabei werden diese Fluidteilchen, wie bereits erläutert, eine bogenförmige Bahn in Richtung zum Umfangsrand 19 beschrieben. Es ergibt sich auch auf der bogenförmigen Bahn eine Strömung entlang eines Flügelprofils, welches eine Kombination aus dem Flügelprofil 21 in radialer und dem Flügelprofil 23 in Umfangsrichtung darstellt. Dieses entstehende Flügelprofil besitzt eine Nase gemäß dem Flügelprofil 23 mit relativ großem Radius im Bereich 27′ zwischen den Anfasungen und hat eine Hinterkante, welche durch den Umfangsrand 19 gebildet ist. Das Flügelprofil 23 wird somit nicht vollständig umströmt, sondern bildet die Nase des entstehenden Flügelprofiles je nach der von den Fluidteilchen beschriebenen bogenförmigen Bahn. Diese wiederum hängt von der Geometrie des Mischwerkzeuges 11, dessen Drehgeschwindigkeit sowie von der Art der zu mischenden Fluide ab.

Im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere im Bereich des Umfangsrandes 19 kommt es durch hohe auftretende Scherkräfte innerhalb der zu vermischenden Fluide zur Bildung von Kavitationsbläschen, also Hohlräumen niedrigen Druckes. Es wird auf mechanische Weise Kavitation erzeugt.

Die zu vermischenden Fluide werden nicht nur durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten wesentlich schneller und vollständiger als bei herkömmlichen Rührern vermischt, sondern auch durch die Kavitation selbst. Die Kavitationsbläschen implodieren nach ihrer Entstehung wieder, wodurch starke Druckstöße auftreten, die einen zusätzlichen Mischeffekt hervorrufen. Ist das Mischwerkzeug 11 nur mit seiner Unterseite in das Fluid oder die zu mischenden Fluide eingetaucht, so wird Luft oder Gas, falls dieses an der Fluidoberfläche ansteht, mit angesaugt. Das Gas wird dabei so vollständig vermischt, daß es in dem gemischten Fluid teilweise gelöst ist. Dies wird dadurch erklärt, daß die Luft in die entstehenden Kavitationsbläschen eindringt und die so entstandenen Hohlräume ausfüllt.

Während im Bereich des Flansches F bei dem sich drehenden Mischwerkzeug 11 wegen der Strömung radial nach außen keinerlei Fluid mehr vorhanden ist, tritt an der Unterseite 15 eine zusätzliche Strömung 33 im Bereich der Mittelachse Z zwischen den Zyklonen 25 auf. Auch diese Strömung 33 entsteht aufgrund des starken Unterdruckes zwischen der Ober- und Unterseite 13, 15. Die Strömung 33 verläuft nahe der Unterseite 15 radial nach außen und wird teilweise von den Zyklonen 25 abgelenkt und/oder strömt an der Unterseite 15 radial an den Umfangsrand 19.

Die Ober- und Unterseite 13, 15 besitzen ein flaches, konvex axial nach außen gewölbtes Profil, wobei wie bei Flugzeugtragflügelprofilen verschiedenste Profile ebenso wie verschiedene Anfasungen denkbar sind. Je nach Art der Anfasung und des Profils ergibt sich ein unterschiedliches Flügelprofil 21 bzw. Flügelprofil 23. Ähnlich einem Flugzeugtragflügel ist es jedoch vorteilhaft, die Unterseite 15 mit einem flacher gewölbten Profil als die Oberseite 13 zu versehen, wodurch sich gemäß der Auftriebswirkung an einem Flugzeugtragflügel bei der Kavitationsscheibe 11 eine Erhöhung der Druckdifferenz ergibt, womit die entstehende Sogwirkung erhöht wird.

Das Verhältnis der Krümmungen der Oberseite 13 und der Unterseite 15 wird durch ein Verhältnis ihrer Mantellinien definiert. Die Mantellinie der Ober- bzw. Unterseite 13, 15 geht dabei durch die Mittelachse Z des Mischwerkzeugs 11 hindurch und verbindet zwei diametral gegenüberliegende Punkte des Umfangsrandes 19, jedoch wird der Flansch F dabei außer Betracht gelassen. Mischwerkzeuge 11 mit einem Längenverhältnis von oberer Mantellinie zu unterer Mantellinie von 1,15 bis 1,75 haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei mit zunehmender Nenndrehzahl, bei der das Mischwerkzeug 11 arbeitet, auch das Verhältnis der Längen der Mantellinien vorteilhafterweise ansteigt.

Prototypen des Mischwerkzeugs 11 von Durchmessern bis zu 300 mm haben gezeigt, daß es mit dem Mischwerkzeug 11 möglich ist, innerhalb kürzester Zeit Fluide vollständig zu vermischen.

Die auftretende Sogwirkung ist dabei so groß, daß es auch denkbar erscheint, das Mischwerkzeug 11 als Antriebselement ähnlich einem Rotor oder einer Schiffsschraube zu verwenden.

Scheibenförmige Mischwerkzeuge 11 mit großem Längenverhältnis von oberer Mantellinie zu unterer Mantellinie, d. h. mit stark gekrümmter Oberseite 13 und flacher gekrümmter Unterseite 15, können auch zum Trennen von Fluiden oder zum Ausscheiden von Partikeln aus Fluiden verwendet werden. So ist es z. B. möglich, ein Gemisch aus Öl und Wasser durch das Mischwerkzeug 11 wieder zu trennen. Dabei werden die unterschiedlichen Dichten der Fluide ausgenützt, da die Fluidteilchen je nach Dichte an der Oberseite 13 unterschiedlich weit nach außen geschleudert werden und sich eine entsprechend längere oder kürzere Flugbahn ergibt.

Bei einer Ausbildung des Mischwerkzeugs 11 aus Nickel besitzt dieses zusätzlich eine katalytische Wirkung beim Erzeugen eines Öl-Wasser-Gemisches oder eines Benzin-Wasser-Gemisches. Das Nickel wirkt dabei jeweils als Katalysator zum Abspalten von Wasserstoff aus dem Wasser und dadurch zum Bilden von radikalen OH-Gruppen.

Claims (10)

1. Scheibenförmiges Mischwerkzeug (11), das eine Oberseite (13) und eine Unterseite (15) aufweist, das um eine Mittelachse (Z) drehbar ist und das mehrere axiale, durchgehende Bohrungen (17) aufweist, wobei zumindest eine der beiden Seiten (13, 15) der Scheibe konvex ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Umfangsrand (19) der Scheibe messerscharf ausgebildet ist, und
daß jede Bohrung (17) an ihrer Oberseite (13) und an ihrer Unterseite (15) konisch angefast ist, wobei in radialer Richtung zwischen der Bohrung (17) und dem Umfangsrand (19) sowie in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Bohrungen (17) Flügelprofile gebildet sind.

2. Mischwerkzeug (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (17) jeweils axial im Bereich (27, 27′) zwischen den Anfasungen abgerundet sind.

3. Mischwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (17) gleichmäßig auf einem konzentrischen Kreis der Scheibe verteilt angeordnet sind.

4. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (17) jeweils gleichen Durchmesser besitzen.

5. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und Unterseite (13, 15) ein flaches, konvex axial nach außen gewölbtes Profil aufweisen.

6. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (15) ein flacher gewölbtes Profil als die Oberseite (13) aufweist.

7. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (13) zwischen der Mittelachse (Z) und dem Umfangsrand (19) ein konkav axial nach innen gewölbtes Profil aufweist, und daß die Unterseite (15) ein konvex axial nach außen gewölbtes Profil aufweist.

8. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer Mantellinie, die an der Oberseite (13) durch die Mittelachse (Z) der Scheibe hindurchgeht und sich zwischen diametral gegenüberliegenden Punkten auf dem Umfangsrand (19) erstreckt, das 1,15 bis 1,75fache der Länge der entsprechenden Mantellinie der Unterseite (15) ist, wobei mit zunehmender Nenndrehzahl der Scheibe das Verhältnis in diesem Bereich größer gewählt wird.

9. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Anfasungen der Bohrungen (17) an der Ober- und Unterseite (13, 15) jeweils auf der Mantelfläche eines gedachten Kegelstumpfes liegen, dessen Symmetrieachse in zu der Scheibe entgegengesetzter Richtung von der Mittelachse (Z) derselben weg nach außen geneigt ist.

10. Mischwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Nickel besteht.