[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einwirkung eines Verdichtungsstoßes
auf Fluide.
[0002] Unter Fluiden sind Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe mit oder ohne darin dispergierten
Feststoffteilchen zu verstehen.
[0003] Aus der WO 89/10 184 ist es bereits bekannt, in einen mit Überschallgeschwindigkeit
von 500 bis 800 m/s strömenden Wasserdampfstrom wenigstens eine zu emulgierende flüssige
Komponente einzuspritzen. In das auf diese Weise gebildete Aerosol aus Wasserdampf
und feinsten Tröpfchen der zu emulgierenden Komponente, das mit Überschallgeschwindigkeit
strömt, wird eine flüssige, passive Komponente eingeleitet. Das so gebildete Gemisch
aus Wasserdampf und Komponenten, das bezogen auf das Gemisch mit Überschallgeschwindigkeit
strömt, wird über einen Verdichtungsstoß bei vollständiger Kondensation von vorhandenem
Dampf auf Umgebungsdruck gebracht.
[0004] Die Überschallgeschwindigkeit wird mit Hilfe einer Lavaldüse erreicht, an deren Austrittsquerschnitt
sich eine Einspritzzone für die zu emulgierende flüssige Komponente anschließt, der
in Strömungsrichtung ein diffusorförmiger Kanal nachgeordnet ist. Im Abstand vom Austrittsquerschnitt
dieses Kanals ist eine Mischkammer angeordnet, die mit dem Kanal über ein Gehäuse
verbunden ist, in das eine Zuleitung für eine passive Komponente mündet. Die Mischkammer
hat einen der Austrittsöffnung der Kammer und der Lavaldüse zugewandten sich in Strömungsrichtung
verengenden Teil, an den sich ein zylindrischer Teil anschließt, der in einen sich
erweiternden Teil übergeht. Der Querschnitt der Austrittsöffnung des diffusorförmigen
Kanals beträgt das ein- bis zweifache des Querschnitts des zylindrischen Teils der
Mischkammer.
[0005] Die Bereitstellung von Dampf, der mit 500 bis 800 m/s strömt, ist sehr aufwendig.
Aufgrund des Druckanstiegs in dem Verdichtungsstoß im zylindrischen Teil läßt sich
zwar eine gute Emulgierung der flüssigen Komponente in der passiven Komponente erreichen,
wobei gleichzeitig jeglicher vorhandener Dampf kondensiert wird, der Verdichtungsstoß
kann jedoch in seiner axialen Stellung nur sehr schwer stabilisiert werden, was die
sichere Funktionsfähigkeit der Vorrichtung und somit die kontinuierliche Emulsionsherstellung
beeinträchtigt.
[0006] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, das Verfahren und
die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein kontinuierlicher
stabiler Betrieb gewährleistet ist.
[0007] Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß ein Zweiphasen-Gemisch aus
zwei Fluiden, das mit Unterschallgeschwindigkeit zugeführt wird, auf seine Schallgeschwindigkeit
beschleunigt wird, das Zweiphasen-Gemisch auf Überschallgeschwindigkeit entspannt
wird und das dadurch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigte Zweiphasen-Gemisch
über einen Verdichtungsstoß im wesentlichen als Einphasen-Gemisch auf einen Enddruck
gebracht wird, der dem jeweiligen Umgebungsdruck entspricht.
[0008] Vorteilhafterweise wird in ein Gemisch aus wenigstens zwei Fluiden wenigstens ein
weiteres Fluid eingeleitet, bevor das so gebildete Zweiphasen-Gemisch auf seine Schallgeschwindigkeit
beschleunigt wird.
[0009] Dabei wird zweckmäßigerweise der statische Druck p
ck hinter dem Verdichtungsstoß so eingestellt, daß er größer ist als der statische Druck
P1 vor dem Verdichtungsstoß und kleiner ist als die Hälfte der Summe aus dem statischen
Druck
P1 vor dem Verdichtungsstoß und aus dem Gesamtdruck po hinter dem Verdichtungsstoß oder
der Hälfte dieser Summe gleich ist.
[0010] Der stabile Betrieb bei konstant bleibenden Mengenströmen der Fluide ist dann gewährleistet,
wenn der Außendruck oder Enddruck p
np größer als der statische Druck
P1 vor dem Verdichtungsstoß, jedoch kleiner als der statische Druck p
ck hinter dem Verdichtungsstoß oder diesem Druck p
ck gleich ist, wobei innerhalb dieser Druckbereiche der Druck des auf seine Überschallgeschwindigkeit
entspannten Zweiphasen-Gemisches nicht freigegeben wird.
[0011] Die Intensität des Verdichtungsstoßes und dadurch seine Wirkung lassen sich noch
dadurch steigern, wenn dem mit Unterschallgeschwindigkeit strömenden noch einphasigen
oder bereits zweiphasigen Fluidgemisch vor Erreichen seiner Schallgeschwindigkeit
Wärme und/oder Masse zugeführt wird. Es kann auch zusammen damit oder nur für sich
dem mit Überschallgeschwindigkeit strömendem Fluidgemisch Wärme und/oder Masse entzogen
werden.
[0012] Vorrichtungsmäßig wird die vorstehend genannte Aufgabe gelöst durch eine an eine
Zuleitung für ein Gemisch aus wenigstens zwei Fluiden koaxial angeschlossene Düse,
durch eine dem austrittsseitigen engsten Querschnitt der Düse in Strömungsrichtung
nachgeordnete Expansionskammer, durch einen mit der Expansionskammer verbundenen Auslaßkanal
mit konstantem Querschnitt, dessen hydraulischer Durchmesser genau so groß ist wie
der hydraulische Durchmesser des engsten Querschnitts der Düse oder bis zum Dreifachen
des hydraulischen Durchmessers des engsten Querschnitts der Düse beträgt, und durch
einen mit der Expansionskammer verbundenen, mit einem Überdruckventil versehenen Auslaß.
[0013] Dabei kann vorteilhafterweise dem engsten Querschnitt der Düse in Strömungsrichtung
eine Zuleitung für wenigstens ein weiteres Fluid unmittelbar vorgeordnet werden.
[0014] Zweckmäßigerweise ist der Auslaßkanal der Expansionskammer koaxial zur Düse angeordnet.
[0015] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird der austrittsseitige engste Querschnitt
der Düse von einer Blende gebildet.
[0016] Zweckmäßigerweise ist der Öffnungsdruck des Überdruckventils einstellbar.
[0017] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kontinuierlich mit einem optimierten Energieaufwand stabil und ohne Betriebsstörungen
die gewünschte Fluideinwirkung im wesentlichen unabhängig von Änderungen des Außen-
bzw. Enddrukkes erreicht werden.
[0018] Mit Hilfe der Einwirkung des Verdichtungsstoßes auf die Fluide lassen sich erfindungsgemäß
homogene, fein dispergierte Gemische mit vorgegebenen Konzentrationen der einzelnen
Komponenten aus mehreren Komponenten herstellen.
[0019] Es lassen sich feindisperse und homogene Strukturen mit hochentwickelten Aktivierungsflächen,
auch schwer mischbarer Strukturen, bei automatischer Dosierung von hoher Genauigkeit
herstellen. Hierzu gehören auch die Homogenisierung von Milch und Erzeugung von Vollmilch-Ersatz,
die Zubereitung von Medikamenten und Kosmetika sowie die Herstellung und Mischung
bioaktiver Produkte, die Herstellung von stabilen Wasser-Treibstoff-Emulsionen, die
Herstellung von Lacken, Farben und Klebstoffen, der Transport von Fluiden durch Rohrleitungen
und Behälter, ohne daß Ablagerungen gebildet werden können, die Vergrößerung der Oberflächenaktivität
mit garantierter Effektivität, die Zubereitung von stabilen Wasserstoffemulsionen,
der Bau von effektiven Reinigungssystemen aufgrund einer hochentwickelten Aktivierungsfläche
mit kombinierbaren Anwendungsmöglichkeiten der Anlage.
[0020] Ferner sind auch eine Entgasung und Gassättigung in chemischen Reaktoren und anderen
speziellen Anlagen, eine Entgasung und Saturierung bei der Herstellung von Säften,
alkoholfreien Getränken und Bier, die Einführung ökologisch unbedenklicher Technologien
mit der Möglichkeit einer vollständigen Nutzung der Wärmeenergie und eine Verminderung
von Rauchbildung bei Verbrennungsprozessen bei Zentralheizungsanlagen bei erfindungsgemäßem
Einsatz der Vorrichtung möglich.
[0021] Die Vorrichtung kann bei erfindungsgemäßem Einsatz auch als Pumpe und/oder Wärmeaustauscher,
beispielsweise als Kondensatorpumpe und Heizpumpe des Mischertyps allein oder in Reihenschaltung,
zur Herstellung von prinzipiell neuen, geschlossenen und ökologisch unbedenklichen
Systemen in der Energetik, Metallurgie, chemischen und biologischen Industrie bei
vollständiger Ausnutzung der Wärmeenergie, als Pumpen für verschmutzte Abwässer und
Flüssigkeiten, die auch feste Teilchen enthalten, im Zusammenwirken mit Wasch- und
Reinigungsanlagen für Hallen, Tanker und Schiffskörper, sowie mit Wassersammelsystemen,
Feuerlöschsystemen und Ausstattungen von feuergefährdeten Produktionsstätten als auch
zum Extrahieren von explosiven und giftigen Gasen in Abwässern und Staubecken verwendet
werden.
[0022] In Kraftwerksanlagen kann die Vorrichtung in Hintereinanderschaltung mehrerer Einheiten
als Speisewasserpumpe und/oder Vorwärmer eingesetzt werden, wobei als Energieträger
von Zwischenstufen der Turbine entnommener Dampf als Fluid zugeführt wird, um die
einzelnen Verfahrungsschritte ausführen zu können.
[0023] Die vorstehenden angegebenen erfindungsgemäßen Verwendungen beruhen auf dem Phänomen
einer erhöhten Verdichtung in der homogenen zweiphasigen Strömung, wobei die Schallgeschwindigkeit
nicht nur in der Flüssigkeit sondern auch in den Gasen bzw. Dämpfen niedriger ist.
Dieses Phänomen ermöglicht das Erreichen der Überschalleinwirkungen, wenn die Machzahl
größer 1 ist, und zwar bei äußerst geringem Energieeinsatz, wobei die Machzahl die
Verdichtungsfähigkeit eines strömenden Mediums repräsentiert und dem Verhältnis der
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bzw. eines Fluidgemisches bezogen auf seine lokale
Schallgeschwindigkeit entspricht. Üblich ist, die Machzahl größer als 1 in Antriebsdüsen
oder Turbinen durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zu erreichen,
also durch Vergrößerung des Zählers des die Machzahl bildenden Verhältnisses. Erfindungsgemäß
wird nun darauf hingewirkt, den gewünschten Überschalleffekt durch Reduzierung der
Schallgeschwindigkeit, also durch Verkleinerung des Nenners des die Machzahl bildenden
Verhältnisses auf einige 10m pro Sekunde oder sogar auf einen Meter pro Sekunde zu
erreichen, wodurch der erforderliche Energieeinsatz gegenüber der herkömmlichen Methode
um eine Vielfaches gesenkt werden kann. Die praktische Umsetzung dieses Phänomens
der erhöhten Verdichtungsfähigkeit homogener zweiphasiger Gemische wird dann mit Hilfe
des Verdichtungsstoßes erreicht, bei welchem das Verhältnis des Drucks hinter dem
Stoß und vor dem Stoß proportional zum Quadrat der Machzahl ist.
[0024] Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
[0025] Es zeigt:
Fig. 1 im Axialschnitt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung, die zum Mischen
von Fluiden eingesetzt wird,
Fig. 2 im Axialschnitt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, die ebenfalls
zum Mischen von Fluiden dient,
Fig. 3 schematisch den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit und des statischen Druckes
des Fluidgemisches in Axialrichtung der Vorrichtung von Fig. 2 im Anlaufstadium mit
offenem Überdruckventil,
Fig. 4 schematisch den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit und des statischen Druckes
des Fluidgemisches in Axialrichtung der Vorrichtung von Fig. 2 bei stabilem Betrieb
mit geschlossenem Überdruckventil.
[0026] Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Einwirkung eines Verdichtungsstoßes auf Fluide,
die zur Herstellung von homogenen Gemischen aus Fluiden eingesetzt wird, hat ein zylindrischen
Gehäuse 1 mit einem Einlaßabschnitt 20 in Form einer im wesentlichen zylindrischen
Bohrung auf der einen Stirnseite, der in eine sich konisch verjüngende Düse 2 übergeht,
die in einem engsten Querschnitt 6 endet. An den engsten Querschnitt 6 der Düse 2
schließt sich ein Diffusorabschnitt einer Expansionskammer 10 an, wobei der zylindrische
Einlaßabschnitt 20, die Düse 2, ihr Austrittsquerschnitt 6, die Expansionskammer 10
und ihr Diffusorabschnitt alle rotationssymmetrisch bezüglich des zylindrischen Gehäuses
1 und koaxial zu dessen Achse 18 angeordnet sind. Dies gilt auch für den dem engsten
Querschnitt 6 der Düse gegenüberliegend in der Expansionskammer 10 angeordneten zylindrischen
Auslaßkanal 8, dessen konstanter Querschnitt einen Durchmesser hat, der nicht kleiner
sein darf als der engste Querschnitt 6 der Düse 2, jedoch auch einen Durchmesser nicht
überschreiten darf, der das Dreifache des Durchmessers des engsten Querschnitts 6
beträgt. An den zylindrischen Auslaßkanal 8 schließt sich koaxial ein Diffusorkanal
9 an, auf dessen auslaßseitiges Ende über eine Gewindeverbindung 21 mit dem Gehäuse
1 ein zylindrischer Auslaßstutzen 17 mit einem Schieber 14 aufgeschraubt ist, wobei
der Auslaßstutzen 17 einen konstanten Querschnitt mit einem Durchmesser hat, der dem
Auslaßdurchmesser des Diffusorkanals 9 entspricht.
[0027] In den zylindrischen Einlaßabschnitt 20 des Gehäuses 1 ist eine Zuleitung 4 in Form
eines Rohrstücks mit konstantem Querschnitt befestigt, auf das über eine weitere Gewindeverbindung
19 ein Einlaßstutzen 15 mit einem Schieber 13 aufgeschraubt ist. Der Querschnitt des
Einlaßstutzens 15 entspricht dem der Zuleitung 4, wobei die Anordnung der Zuleitung
4 und des Einlaßstutzens 15 ebenfalls koaxial zur Achse 18 erfolgen. Im Bereich des
dem Einlaßstutzens 15 gegenüberliegenden Endes der Zuleitung 4 mündet radial im Bereich
der beginnenden Querschnittsverengung der Düse 2 eine Fluidzuleitung 3 mit einem Schieber
12. In die Expansionskammer 10 mündet radial ein Auslaßstutzen 11 mit einem Überdruckventil
22, das zur Expansionskammer 10 hin vorgespannt ist.
[0028] Die Zuleitung 4 ist bezüglich der Düse 2 über die Schraubverbindung am Einlaßabschnitt
20 zu dem Gehäuse 1 axial verstellbar.
[0029] Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung ist anstelle der Zuleitung
4 mit konstantem Querschnitt eine Zuleitung 4 mit einem sich zunächst verengenden
und anschließend wieder erweiternden Querschnitt vorgesehen. Die Düse 2 weist vor
ihrem austrittsseitigen engsten Querschnitt, der bei dieser Ausführungsform als Blende
6 ausgeführt ist, eine Unterbrechung in Umfangsrichtung auf, die mit einer Ringkammer
5 in Verbindung steht, in die radial ein weiterer Einlaßstutzen 16 für ein Fluid mündet,
in dem ein Schieber 7 angeordnet ist.
[0030] Anhand der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Verläufe der Strömungsgeschwindigkeit
w und des statischen Drucks p des Fluids bzw. der Fluide bzw. des Fluidgemisches in
Axialrichtung der Vorrichtung von Fig. 2 werden der Anlauf der Vorrichtung bzw. ihr
stabiler Betrieb für die kontinuierliche Gemischbildung im einzelnen erläutert.
[0031] Wenn die Vorrichtung an eine vorhandene Anlage angeschlossen ist, wofür die Schieber
7, 12, 13 und 14 geschlossen sind, beginnt der Anlaufvorgang damit, daß die Schieber
7 und 12 geöffnet werden, wodurch ein erstes Fluid durch die Düse 2 und nach Vermischen
mit einem durch den Einlaßstutzen 16 zugeführten zweiten Fluid durch den als Blende
6 ausgebildeten engsten Querschnitt, die Expansionskammer 10, den zylindrischen Auslaßkanal
8, den Diffusorkanal 9, den Auslaßstutzen 17 und den offenen Schieber 14 geführt wird.
Durch Öffnen des Schiebers 13 wird nun ein drittes Fluid oder Fluidgemisch über den
Einlaßstutzen 15 und die Zuleitung 4 im Axialstrom in die Düse 2 zugeführt und mit
dem ersten und zweiten Fluid vermischt, die durch die Fluidzuleitung 3 und den Einlaßstutzen
16 in einem Ringstrom um das durch die Zuleitung 4 zugeführte Fluid oder Fluidgemisch
zugeführt werden. Durch die weitere Fluidzuführung über die Zuleitung 4 steigt der
Druck in der Entspannungskammer 10 soweit, daß das Überdruckventil 22 im Auslaßstutzen
11 öffnet und dadurch das Gemisch durch den Auslaßstutzen 11 und durch den Auslaßkanal
8 proportional zu ihren Strömungsquerschnitten abströmt.
[0032] In Fig. 3 und 4 ist die Vorrichtung schematisch dargestellt, wobei I der Zuströmquerschnitt
der Zuleitung 4 für das dritte Fluid, 11 der verengte Querschnitt der Zuleitung 4
für das dritte Fluid und IV der erweiterte Austrittsquerschnitt der Zuleitung 4 für
das dritte Fluid sind. Der Austrittsquerschnitt IV ist von einem Eintrittsringquerschnitt
111 der Fluidzuleitung 3 für das erste Fluid umschlossen, der den Beginn der Düse
2 bildet, die im Querschnitt V endet, der von einem Einlaßringquerschnitt des Einlaßstutzens
16 für das zweite Fluid umgeben ist. In der axialen Strömungsrichtung der Fluide bzw.
des Fluidgemisches folgt der von der Blende 6 gebildete engste Querschnitt VI, an
den sich die Expansionskammer 10 anschließt, der das Überdruckventil 22 zugeordnet
ist. In Axialrichtung schließt sich an die Expansionskammer 10 der Auslaßkanal 8 mit
seinem Einlaßquerschnitt VII an, der auf einer geringen festgelegten Länge bis zum
Querschnitt VIII konstant bleibt und sich von dort in Form des Diffusorkanals 9 bis
zum Querschnitt IX des Auslaßstutzens 17 erweitert.
[0033] In Fig. 3 ist das Stadium des Anlaufvorgangs gezeigt, in welchem nach Öffnen der
Schieber 12 und 7 auch die Schieber 13 und 14 geöffnet sind und auf Grund des Drucks
in der Expansionskammer 10 auch das Überdruckventil 22 geöffnet hat. In der Zuleitung
4 bleibt zunächst die Strömungsgeschwindigkeit w trotz der Querschnittsveringerung
zwischen dem Zuströmquerschitt I und dem verengten Querschnitt 11 im wesentlichen
konstant, und fällt dann durch die Querschnittserweiterung und aufgrund der Fluidzumischungen
bis zum Austrittsquerschnitt IV ab. Aufgrund der Querschnittsverringerung der Düse
2 steigt die Strömungsgeschwindigkeit w bis zum engsten Querschnitt VI und noch geringfügig
in der Expansionskammer 10 an. Abhängig von den Größen der Kanalquerschitte strömt
das Fluidgemisch dann mit entsprechenden Mengenströmen durch den Auslaßstutzen 11
und den Auslaßkanal 8 ab, wobei die Strömungsgeschwindigkeit w des Fluidgemisches
im Diffusorkanal 9 zum Querschnitt des Auslaßstutzens 17 hin leicht abfällt.
[0034] Der statische Druck p bleibt in der Zuleitung 4 für das dritte Fluidgemisch bis zum
erweiterten Austrittsquerschnitt IV wegen der axial nachgeordneten Fluidzumischungen
trotz Querschnittsveränderung im wesentlichen konstant. In der Düse 2 fällt der statische
Druck p bis zum Querschnitt V des Endes der Düse 2 und zum engsten Querschnitt VI
in Form der Blende 6. Daran schließt sich ein geringer Druckabfall in der Expansionskammer
10 und im Auslaßkanal 8 bis zum Querschnitt VIII hin an, worauf ein leichter Druckanstieg
in dem Diffusorkanal 9 bis zum Querschnitt IX des Auslaßstutzens 17 folgt.
[0035] In diesem Stadium des Anlaufvorgangs beginnt der Druck in der Expansionskammer 10
zu fallen. Die Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt VI in Form der Blende
6 steigt, während der Druck im engsten Querschnitt VI abnimmt, so daß der Sättigungsdruck
von dampfförmigen oder gasförmigen Fluidkomponenten unterschritten wird, was zur Bildung
eines Zweiphasen-Gemisches führt - soweit nicht bereits vorher ein Zweiphasen-Gemisch
durch Zuführen eines flüssigen Fluids gebildet wurde -, dessen zugehörige Schallgeschwindigkeit
erheblich niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit des einphasigen Fluidgemisches.
Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt nun in der Düse 2 auf Grund der Querschnittsverengung
zu, so daß im engsten Querschnitt VI der Blende 6 schließlich für das Zweiphasen-Gemisch
die Schallgeschwindigkeit erreicht wird, was bedeutet, daß in der Expansionskammer
10 das zweiphasige Fluidgemisch auf seine Überschallgeschwindigkeit bei einem bestimmten
Volumenphasenverhältnis beschleunigt wird.
[0036] Dadurch bildet sich im Querschnitt VII, also am Anfang des Auslaßkanals 8 ein Verdichtungsstoß,
dessen Stärke um so größer ist, je geringer der statische Druck p in der Expansionskammer
10 und je größer die Strömungsgeschwindigkeit w des Fluidgemisches im Einlaß des Auslaßkanals
8 ist. Der Druckabfall in der Expansionskammer 10 ergibt sich einerseits durch Abführung
von Fluidgemisch durch den Auslaßstutzen 11, da das Überdruckventil 22 noch nicht
oder noch nicht ganz geschlossen hat, und andererseits durch Abführung von Fluidgemisch
durch den Auslaßkanal 8 und den Diffusorkanal 9. Schließlich wird in der Expansionskammer
10 der Druck erreicht, bei dem das Überdruckventil 22 schließt und die Vorrichtung
in den kontinuierlichen stabilen Mischbetrieb gemäß Fig. 4 übergeht.
[0037] Der axiale Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit w von Fig. 4 zeigt den starken Geschwindigkeitsabfall
bei der Zumischung des ersten Fluids unter Bildung eines Zweiphasen-Gemisches, wobei
die Anfangsgeschwindigkeit der Fluide im Unterschallbereich liegt und die Schallgeschwindigkeit
im engsten, durch die Blende 6 vorgegebenen Querschnitt VI erst bezogen auf das Zweiphasen-Gemisch
erreicht wird. Die Strömungsgeschwindigkeit w zwischen den Querschnitten VI und VII
in der Expansionskammer 10 bei geschlossenem Überdruckbventil 22 liegt somit im Überschallbereich,
wobei jedoch auf die Schallgeschwindigkeit des Zweiphasen-Fluidgemisches Bezug genommen
ist, die wesentlich niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit des entsprechenden
einphasigen Gemisches. Gemäß den Gesetzen der Gasdynamik stellt sich nun zwischen
den Querschnitten VII und VIII auf geringer axialer Länge ein enormer lokaler Druckanstieg
in Form eines Verdichtungsstoßes ein, der seine axiale Position konstant hält, wobei
das Verhältnis aus dem Druck hinter dem Verdichtungsstoß und dem Druck vor dem Verdichtungsstoß
den Wert 100 oder sogar 1000 erreichen kann.
[0038] Die Fluidvermischung der mit Unterschall durch die Zuleitung 4, die Fluidzuleitung
3 und den Einlaßstutzen 16 zugeführten Fluide erfolgt zunächst auf Grund der Ringströmungen
und der Relativgeschwindigkeiten. Eine weitere Vermischung erfolgt durch Kondensation
beim Übergang in den Zweiphasen-Zustand, durch Sieden und Verdampfen im Bereich der
Überschallströmungen in der Entspannungskammer 10 und anschließend im Verdichtungsstoß,
wo ein "Zertrümmerungseffekt" schließlich die abschließende homogene Gemischstruktur
bewirkt.
[0039] Sollte während des stabilen Betriebs der Vorrichtung in der Expansionskammer 10 eine
übermäßige Druckerhöhung auftreten, so wird diese durch kurzzeitiges Öffnen des entsprechend
vorgespannten Überdruckventils 22 ausgeglichen, ohne daß dadurch der Mischvorgang
beeinträchtigt oder ohne daß die axiale Lage des Verdichtungsstoßes verändert wird.
[0040] Die Stärke des Verdichtungsstoßes sowie die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung im
kontinuierlichen Mischbetrieb hängt von dem Volumenphasen- Verhältnis vor dem Verdichtungsstoß
ab. Je nach verlangter Qualität des Fluidgemisches wird das erforderliche Volumenphasen-Verhältnis
vor dem Verdichtungsstoß durch entsprechende Wahl des Verhältnisses des hydraulischen
Durchmessers des engsten Querschnitts der Düse 2 bzw. der Blende 6 und des hydraulischen
Durchmessers des Auslaßkanals 8 eingestellt.
[0041] Die Erzeugung eines Stroms von homogenen zweiphasigen Gemischen verschiedener Fluide
vor dem Verdichtungsstoß im Querschnitt VII von Fig. 4 wird aufgrund einer geometrischen
Verbrauchs-und Wärmeeinwirkung auf den Durchfluß in verschiedenen Zonen in Strömungsrichtung
der Vorrichtung realisiert.
[0042] Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von homogenen Gemischen
in Form von Emulsionen wird anhand der Herstellung eines Vollmilchersatzes für die
Kälberaufzucht erläutert, wobei anschließend gleichzeitig die Möglichkeit des Einsatzes
der Vorrichtung zum Transport von Fluiden demonstriert wird.
[0043] Bei der Vorrichtung in der Ausgestaltung von Fig. 2 wird über die Zuleitung 4 Dampf
zugeführt, während über den Ringspalt im Querschnitt IV von Fig. 4 Abfallprodukte
aus der Milch-, Sahne- und Buttererzeugung zugegeben werden. Die beiden Fluide tauschen
ihr Geschwindigkeitskomponenten und Wärmeinhalte zwischen dem Querschnitt IV und V
in Fig. 4 aus, wobei sich der Druck in dem Fluidgemisch verringert, während die Strömungsgeschwindigkeit
des Gemisches zunimmt und die lokale Schallgeschwindigkeit des Gemisches zwischen
dem Querschnitt V und VI niedrig bleibt. In diesen Unterschallstrom werden nun zusätzlich
Fluide in Form von Fett und Vitaminen eingeleitet. Da in dieser Zone der Vorrichtung
eine Entspannung stattfindet, wobei die zuletzt genannten Fluide in zerstäubtem Zustand
mit nebelförmiger Struktur zugeleitet werden, vermischen sie sich mit den zuerst genannten
beiden Fluiden, wobei die Geschwindigkeit des Gemisches zunimmt. Aufgrund des Gesetzes
der "Gegenwirkung" steigt die Geschwindigkeit des Unterschallstroms ferner an, wenn
eine zusätzliche Masse über die Blende 6 in Fig. 2 zugeführt wird. Die Strömung wird
dann noch weiter beschleunigt, wobei der Druck weiter abfällt, bis sich aufgrund der
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und der Absenkung der Schallgeschwindigkeit
darin eine Überschallströmung einstellt. Die Strömung hat dadurch zwischen dem Querschnitt
VI und VII in Fig. 4 eine maximale Machzahl mit M > 1. Wenn nun der Gemischstrom in
den Auslaßkanal 8 von Fig. 2, der konstanten Querschnitt hat, gelangt, stellt sich
dort ein enormer Druckanstieg in Form eines Verdichtungsstoßes ein, weil eine kontinuierlicher
Übergang zur Schallgeschwindigkeit in dem Auslaßkanal 8 aufgrund seines konstanten
Querschnitts nicht möglich ist. Wie erwähnt ist dabei der Druck hinter dem Verdichtungsstoß
verglichen mit dem Druck vor dem Verdichtungsstoß um das Hundertbis Tausendfache größer.
[0044] Die Zweiphasenströmung hat vor dem Verdichtungsstoß eine blasenförmige, schaumartige
Struktur. Weil Fett aus oberflächenaktiven Teilchen besteht, bildet sich ein kompakter
Film um jede Dampfblase oder Gasblase herum. In dem Verdichtungsstoß werden nun die
Bläschen bis zum Verschwinden verkleinert, wobei die Kraft des spezifischen Drucks,
welcher auf die Bläschen wirkt, um ein Vielfaches aufgrund der verkleinerten Oberfläche
der Bläschen ansteigt. Die Bläschen verschwinden bzw. implodieren auf sehr kleinem
Raum und in sehr kurzer Zeit, was die Wirkung pro einzelnem Bläschen nochmals ansteigen
läßt. Im Endergebnis sind die Fetteilchen hinter dem Verdichtungsstoß bis zur Größe
von Mikron und Zehntelmikron verkleinert, was auf konventionelle Weise nicht erreichbar
ist.
[0045] Die im Verdichtungsstoß in mechanische Arbeit umgeformte Wärmeenergie der Dampfbläschen
erlaubt einen Transport von Produkten in automatisierten Prozessen, wenn der Druck
hinter dem Verdichtungsstoß den Widerstand in der automatisch arbeitenden Vorrichtung
an die Geschwindigkeit des Produkts darin angleicht. In konventioneller Weise bisher
dafür verwendete Pumpen werden dadurch überflüssig.
[0046] Die beschriebene Vorrichtung kann als Mischer, Homogenisator, Saturator und Entgasungseinrichtung
ohne weiteres eingesetzt werden. Für die Verwendung als Transporteinrichtung und als
Pumpe muß jedoch eines der zugeführten Fluide eine Temperatur haben, die höher ist
als die der anderen Fluide, oder es muß beim Mischen der Fluide aufgrund exothermer
Reaktionen Wärme in die zu mischenden Fluide eingeleitet werden, damit eine Umwandlung
von Wärmeenergie in mechanische Arbeit möglich ist. In diesem Fall stellt sich am
Austritt der Vorrichtung ein höherer Gesamtdruck der Mischkomponenten als am Eintritt
ein.
[0047] Der Einsatz der Vorrichtung als Pumpe kombiniert mit der Wirkung als Wärmetauscher
wird im folgenden im Zusammenhang mit einem System zur regenerativen Speisewasservorwärmung
in Wärmekraftwerken mit Dampfturbinen beschrieben. Zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades
solcher Anlagen wird das Speisewasser, welches gewöhnlich vom Kondensator mit Hilfe
spezieller Pumpen in den Kessel geleitet und in Wärmeaustauschern vom Oberflächentyp
durch Dampf erwärmt wird, stufenweise vorgewärmt, wobei dieser Dampf einzelnen Stufen
der Dampfturbine entnommen wird. Durch Einsatz der beschriebenen Vorrichtung in solchen
Systemen kann nun auf die Oberflächenwärmeaustauscher und auf Pumpen mit Elektroantrieb
ganz oder teilweise verzichtet werden, was anhand des Einsatzes einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einer Stufe eines regenerativen Vorwärmers erläutert wird.
[0048] Von einer vorgegebenen Stufe der Dampfturbine entnommener Dampf wird durch die Zuleitung
4 von Fig. 2 der Vorrichtung zugeführt, während Wasser aus dem Kondensator oder aus
einer Vorstufe des regenerativen Vorwärmers über den Ringschlitz im Querschnitt IV
von Fig. 4 in die eine konische Mischkammer bildende Düse 2 eingeführt wird, wo ein
erster Wärmeaustausch und ein Angleichen der Geschwindigkeitskomponenten der Fluide
unter gleichzeitiger Erhöhung der Geschwindigkeit des gebildeten Gemisches und gleichzeitiger
Verringerung des Drucks darin stattfindet. Zwischen dem Querschnitt V und VI von Fig.
4 wird ein flüssiges Fluid mit einer Temperatur zugeführt, die höher ist als die Temperatur,
die das flüssige Fluid im Querschnitt IV besitzt, wobei der Verwendungszweck dieser
Zuleitung noch erläutert wird. Es findet eine weitgehende Beschleunigung der Strömung
statt, welche sich im Querschnitt VI, also der Blende 6 von Fig. 2, und anschließend
zwischen dem Querschnitt VI und VII von Fig. 4 fortsetzt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit
über der Schallgeschwindigkeit liegt. Hinter dem Querschnitt VII von Fig. 4 bildet
sich der Verdichtungsstoß. Die Wärme des zugeführten Dampfes übersteigt die Wassertemperatur
am Austritt der Vorrichtung, gleichzeitig wird ein Teil der zugeführten Wärme in Arbeitsdruck
umgewandelt, so daß der Druck des Heißwassers am Auslaßstutzen 17 höher ist als der
Dampf- und Wasserdruck bei ihrem Eintritt. Ein Teil des so erwärmten Wassers wird
von dem Austrittstutzen 17 von Fig. 2 über den Schieber 7 und den Einlaßstutzen 16
zwischen den Querschnitten V und VI von Fig. 4 zurückgeführt, was eine Temperaturregelung
an der Auslaßseite der Vorrichtung ermöglicht und so ihren Wirkungsgrad erhöht.
[0049] Wie erwähnt, wird durch die geometrischen Einflüsse auch die Strömung zwischen dem
Querschnitt VI und VII von Fig. 4 eine bläschenförmige schaumartige Struktur der Gemischströmung
erreicht, welche eine äußerst entwickelte Oberfläche im Wärmeaustausch zwischen den
Phasen besitzt, was zu einem extremen Anwachsen des Wärmeflusses vom heizenden zum
aufzuheizenden Medium führt, wobei dieser Wärmefluß proportional zum Temperaturunterschied
und zu den spezifischen Oberflächen ist. Durch Vergrößerung der letzteren ergeben
sich große Wärmeströme bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen dem heizenden und
aufzuheizenden Medium. Die Vorrichtung arbeitet so als Wärmetauscher, dessen Außenmaße
verglichen mit bekannten Wärmeaustauschern gleicher Leistung erheblich kleiner sein
können und dessen Wirkungsgrad sehr hoch ist. Durch die entwickelte Oberfläche der
Phasenabschnitte aufgrund der Oberflächenaktivität erhöht sich die Durchflußeffektivität
sämtlicher Austauschprozesse, unabhängig davon, ob der Wärmeaustausch ein Stoffaustausch
ist oder auf einem chemischen oder anderen Prozeß beruht, in welchem die Durchflußeffektivität
von der Größe der Oberflächenaktivität abhängt.
[0050] Bekanntlich hängt die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten für ausgewählte Komponenten
von der Temperatur und dem Druck in der Flüssigkeit ab. Ein Druckabfall in der Flüssigkeit
ermöglicht immer eine Abnahme ihres Gasgehalts, die Abhängigkeit der Temperatur hängt
von mehreren Komponenten ab, ist aber bekannt. Durch Verwendung dieser bekannten Abhängigkeiten
kann der Gehalt an unerwünschten Gas in einer Flüssigkeit auf die geforderte Menge
reduziert werden. Dafür wird über die Zuleitung 4 von Fig. 2 Dampf jener Flüssigkeit
zugeführt, die zu entgasen ist, oder es wird die Flüssigkeit selbst mit einer bestimmten
Temperatur in einer bestimmten Menge zugeführt. Die gleiche Flüssigkeit wird über
den Schieber 12 und die Fluidzuleitung 3 von Fig. 2 in dem Querschnitt IV von Fig.
4 eingeführt. Dabei ist es notwendig, daß die Temperatur des Gemisches etwa 70 bis
80 ° C hat, was bei diesem Druck einem Minimum an Löslichkeit enstpricht. Das Gemisch
mit der genannten Temperatur wird in der eine konische Kammer bildenden Düse 2 von
Fig. 2 beschleunigt. Gleichzeitig sinkt der Druck der Strömung und unterschreitet
im Querschnitt V von Fig. 4 den Gassättigungsdruck bei der herrschenden Temperatur,
wobei vor diesem Querschnitt der Gemischströmung noch ein Fluid zugeführt wird, welches
der Flüssigkeit am Austritt der Vorrichtung entnommen wird. Der Zweiphasen-Gemischstrom
tritt über die Blende 6 von Fig. 2 in die Zone des minimalen Drucks zwischen dem Querschnitt
VI und VII von Fig. 4 ein. Über das Überdruckventil 22 von Fig. 2 wird nun Dampf-Gasgemisch
entnommen und in ein spezielles Vakuumgefäß geleitet. Die Intensität und Effektivität
der Entgasung wird dadurch über das Überdruckventil 22 reguliert, nämlich durch Einstellen
des Drucks in der Expansionskammer 10 zwischem dem Querschnitt VI und VII. Mittels
einer Überlauf- bzw. Rücklaufleitung, welche den Auslaßstutzen 17 mit der Expansionskammer
2 zwischen dem Querschnitt V und VI von Fig. 4 über den Schieber 7 und den Einlaßstutzen
16 verbindet, kann erforderlichenfalls eine Nachreinigung des Wassers durch wiederholten
Durchlauf zwischen den Querschnitten VI und VII erfolgen. In dieser Weise kann auch
eine Entgasung des Speisewassers vor dessen Eingabe in den Kessel durchgeführt werden,
wobei die erfindungsgemäß eingesetzte Vorrichtung zur Entgasung gleichzeitig als Speisepumpe
für den Kessel oder für dessen erste Stufe dienen kann.
1. Verfahren zur Einwirkung eines Verdichtungsstoßes auf Fluide, bei welchem
- ein Zweiphasen-Gemisch aus wenigstens zwei Fluiden, das mit Unterschallgeschwindigkeit
zugeführt wird, auf seine Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird,
- das Zweiphasen-Gemisch auf Überschallgeschwindigkeit entspannt wird und
- das dadurch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigte Zweiphasen-Gemisch über
den Verdichtungsstoß im wesentlichen als Einphasen-Gemisch auf einen Enddruck gebracht
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in ein Gemisch aus wenigstens zwei Fluiden
wenigstens ein weiteres Fluid eingeleitet wird, bevor das so gebildete Zweiphasen-Gemisch
auf seine Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der statische Druck pck hinter dem Verdichtungsstoß so eingestellt wird, daß er größer ist als der statische
Druck P1 vor dem Verdichtungsstoß und kleiner ist als die Hälfte der Summe aus dem Gesamtdruck
po hinter dem Verdichtungsstoß und dem statischen Druck P1 vor dem Verdichtungsstoß oder diesem Wert entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Druck des auf Überschallgeschwindigkeit
entspannten Zweiphasen-Gemisches freigegeben wird, jedoch solange nicht, wie der Enddruck
pnp größer als der statische Druck P1 vor dem Verdichtungsstoß, aber kleiner als der statische Druck pck hinter dem Verdichtungsstoß oder diesem Druck pck gleich ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem dem mit Unterschallgeschwindigkeit
strömenden noch einphasigen oder bereits zweiphasigen Fluidgemisch vor Erreichen seiner
Schallgeschwindigkeit Wärme und/oder Masse zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem dem mit Überschallgeschwindigkeit
strömenden Fluidgemisch Wärme und/oder Masse entzogen wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit
- einer an eine Zuleitung (4) für ein Gemisch aus wenigstens zwei Fluiden koaxial
angeschlossene sich konisch verjüngenden Düse (2),
- einer dem austrittsseitigen engsten Querschnitt (6) der Düse (2) in Strömungsrichtung
nachgeordneten Expansionskammer (10),
- einem mit der Expansionskammer (10) verbundenen Auslaßkanal (8) mit konstantem Querschnitt,
dessen hydraulischer Durchmesser genau so groß ist wie der hydraulische Durchmesser
des engsten Querschnitts (6) der Düse (2) oder bis zum Dreifachen des hydraulischen
Durchmessers des engsten Querschnitts (6) der Düse (2) beträgt, und
- mit einem mit der Expansionskammer (10) verbundenen, mit einem Überdruckventil (22)
versehenen Auslaß (11).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einer dem engsten Querschnitt (6) der Düse (2)
unmittelbar in Strömungsrichtung vorgeordneten Zuleitung (5, 16) für wenigstens ein
weiteres Fluid.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 7 oder 8, bei welcher der Auslaßkanal (8) der Expansionskammer
(10) zylindrisch ausgebildet und koaxial zur Düse (2) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welcher der austrittsseitige
engste Querschnitt der Düse (2) von einer Blende (6) gebildet wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welcher der Öffnungsdruck des
Überdruckventils (22) einstellbar ist.
12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 zur Herstellung homogener
Gemische in Form von Lösungen, Emulsionen, Suspensionen, Schmelzen und Gasgemischen.
13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 zum Transport von
Fluiden.
14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 als Pumpe für Fluide.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14 als Wärmeaustauscher
für Fluide.
16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15 zur Entgasung von
Fluiden.