Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen

Beschreibung

[0001] Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethanen mit vorzugsweise Kohlendioxid.

[0002] Zur Verbesserung der Dämmeigenschaften von Schaumstoffen, insbesondere Polyurethansystemen, wurde bereits vorgeschlagen, einer oder beiden Rezepturkomponenten ein Treib- oder Zellgas zuzusetzen, das in einer sonochemischen Reaktion dispergiert und/oder gelöst wird.

[0003] Sonochemische Reaktionen sind beispielsweise aus der DE-Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft", April 1969, Seiten 60-66 an sich bekannt. Eine sonochemische Reaktion wird dadurch erzeugt, daß man das Gas in eine oder beide der flüssigen Rezepturkomponenten einleitet und das Zweiphasengemisch mit Hilfe eines Ultraschallgenerators beschallt. Der Ultraschall wird mittels piezoelektrischer oder magnetostriktiver Materialien erzeugt. Derartige Materialien, beispielsweise Barium-Blei-Titanat sowie der Aufbau solcher Ultraschallgeneratoren, sind bekannt.

[0004] Es ist noch nicht genau bekannt, welche Vorgänge sich bei der sonochemischen Reaktion abspielen, man nimmt aber an, daß die Flüssigkeitsmoleküle durch die aufgrund der Schockwellen entstehenden Kapillarwellen aufgespreizt werden. Im pulsierenden Ultraschallfeld wird durch das Implodieren der Kavitionsbläschen ein Unterdruck in der Flüssigkeit erzeugt, wodurch die Gasmoleküle in Lösung gehen.

[0005] Die technische Anwendung des skizzierten und an sich bekannten Effekts bedingt jedoch eine sorgfältige Abstimmung der physikalischen und chemischen Randbedingungen mit den konstruktiven Möglichkeiten.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Beladung einer flüssigen Phase mit Gas vorzuschlagen, die einen hohen Wirkungsgrad hat und industriell eingesetzt werden kann.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß zur Lösung einer größeren Menge Gas in einer Flüssigkeit diese Menge auch in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt werden muß. Die Behandlung eines Blasengemisches, das beispielsweise durch einfaches Einleiten des Gases in die Flüssigkeit erzeugt wird, reicht dafür nicht aus. Der Wirkungsgrad wird entscheidend verbessert, wenn die sonochemische Reaktion auf eine feine Gas-Flüssigkeitssuspension einwirkt. Vorgeschlagen wird daher ein zweistufiges Verfahren, nach dem zunächst eine feine Gas-Flüssigkeitssuspension durch mechanische Kavitation erzeugt wird und diese Suspension dann in einem speziell ausgebildeten Resonanzraum der Wirkung von Ultaschallwandlern ausgesetzt wird. Durch die bessere Gasbeladung beispielsweise von Polyol für die Herstellung von Polyurethan läßt sich beispielsweise eine Dichteverringerung des Schaumstoffs bewirken, was letztlich eine bessere Wärmedämmung bedeutet.

[0009] Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur zeigt einen teilweisen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung mit Vorkammer, Resonanzraum und einem Teil des Amplitudentransformers.

[0010] Kernstück der Einrichtung ist der Resonanzraum 10 der aus vier kleeblattförmig, sich paarweise gegenüberliegenden Kammern 12 besteht, die jeweils eine konkave gewölbte, schüsselförmige Rückseite 12 aufweisen und zum Mittelpunkt des Resonanzraums offen sind. In jeder der Kammern 12 ist ein Ultraschallwandler 14 so angeordnet, daß er von dem zu belandenden Flüssigkeits-Gas-Gemisch frei umströmt werden kann. Es handelt sich beispielsweise um Membranplatten aus Barium-Blei-Titanat, wie sie für konventionelle Wasservernebler verwendet werden. Die Membranplatten oder Piezoelemente werden von zwei aneinander anliegenden sternförmigen Kontaktspinnen gehalten, über welche die Elemente mit Strom versorgt werden. Dabei wird der Rand der Elemente von fingerförmigen Fortsätzen der Kontaktspinnen übergriffen, wie es in der Figur mit der Bezugsziffer 16 angedeutet ist. Die Kontaktspinnen sind durch Isolierfolien voneinander getrennt, um die Piezoelemente in geeigneter Weise mit Strom zu versorgen. Die elektrische Versorgung der Kontaktspinnen erfolgt über die Elektroden 18 und 20. Die Vorsehung üblicher Kupferkontakte ist beispielsweise bei der Gasbeladung von Polyolen nicht möglich.

[0011] Da die geometrische Form der Membranplatten die Frequenz bestimmt, kann eine Frequenzänderung an sich nur durch den Austausch der Membranplatten erreicht werden. Dieses Auswechseln ist jedoch umständlich und nachteilig. Erfindungsgemäß werden die Ultraschallwandler daher durch einen prozeßrechnergestützten Frequenzgenerator erregt, wobei die vom Element abgegebene Spannung als Steuergröße verwendet wird, so daß die Ultraschallwandler immer mit maximaler Amplitude arbeiten. Bedingt durch die Bandbreite der möglichen Frequenzen muß der Resonanzraum eine bestimmte Größe aufweisen, die jedoch gleichzeitig den gewünschten hohen Durchfluß garantiert.

[0012] Statt der gezeigten kleeblattförmigen Anordnung von vier Ultraschallwandlern können natürlich auch mehrere Wandler kreisförmig angeordnet und radial auf den Mittelpunkt ausgerichtet sein.

[0013] Der Resonanzraum 10 wird über eine Vorkammer 22 mit einem feinen Flüssigkeits-Gasgemisch bzw. einer Flüssigkeits-Gas-Suspension versorgt. Die Vorkammer 22 wird über die Zuleitung 24 mit Flüssigkeit, beispielsweise Polyol beschickt. Die gasförmige Phase, beispielsweise Kohlendioxid, wird über die Zuleitung 26 eingespeist.

[0014] In der Vorkammer 22 ist ein Kavitationselement 28 angeordnet, das diskusförmig ausgebildet ist und am Ende einer schnell rotierenden, freitragenden Welle befestigt ist. Das Kavitationselement weist auf seiner Unter- und seiner Oberseite unterschiedliche Wölbungen auf. Vorzugsweise ist die Oberseite, d.h. die der Welle zugekehrte Seite stärker gewölbt, als die Unterseite, die ein flacheres Profil aufweisen kann. In dem diskusförmigen Kavitationselement 28 sind mehrere axiale Bohrungen 30 angeordnet, die eine Flüssigkeitsströmung von der Unterseite des Elements zur Oberseite ermöglichen. Der periphere Rand des Kavitationselements ist messerscharf ausgebildet, um, ähnlich wie beim Flugzeugflügel, eine Umströmung möglichst zu verhindern.

[0015] Das erfindungsgemäße Kavitationselement hat nun, wenn es sich mit etwa 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute dreht, die Wirkung, daß, infolge des Bernoulli-Effekts, eine Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite entsteht, die eine intensive axiale Strömung durch die Bohrungen 30 bewirkt. Die Durchmischung ist so intensiv, daß in kürzester Zeit das in die Vorkammer eingeleitete Blasengemisch in eine feine Suspension transformiert wird.

[0016] Das Kavitationselement, das vorzugsweise im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eingesetzt wird, kann natürlich auch isoliert und selbstständig als Mischelement zur Erzeugung feinster Schäume und Suspensionen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch seine Verwendung in der Vorkammer der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der eine Suspension erzeugt wird, die im Resonsanzraum durch die Energie der Ultraschallwandler und die damit hervorgerufenen Kavitationseffekte weiter verfeinert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform hatte das Kavitationselement einen Durchmesser von 42 mm und eine Drehzahl von 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute. In der dabei erzeugten Suspension hatten die Gasbläschen einen mittleren Durchmesser von 0,6 mm.

[0017] Dem Resonsanzraum 10 nachgeschaltet ist ein Amplitudentransformer 32, der im wesentlichen aus einem massiven Kern besteht, um den herum sich spiralförmig Kanäle winden, die in der Art einer mehrgängigen Schraubenlinie angeordnet sind. Durch die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit im Material des Amplitudentransformers wird die Frequenz des Ultraschallwandlers erniedrigt und die Amplitude erhöht. Die die Kanäle durchströmende Suspension wird dadurch noch weiter verfeinert, d.h. die Gasbläschen werden nochmals aufgespalten und geteilt. Die den Amplitudentransformer 32 verlassende Suspension ist quasi transparent, d.h. die Gasbläschen sind so klein, daß sie mit freiem Auge nicht wahrgenommen werden können - das Gas wurde physikalisch gelöst. Im Amplitudentransformer findet beispielsweise eine Reduzierung der Frequenz von 1,6 MHz auf 1,1 MHz statt. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Amplitude der Schwingung entsprechend.

[0018] Wenn auch die gezeigte Einrichtung in erster Linie zur Gasbeladung von Polyol im Rahmen der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff geeignet ist, so können damit auch Polyätherschäume erzeugt werden. Statt einer Gasbeladung der Rezepturkomponenten unter hohem Druck kann bei Verwendung der erfindunsgemäßen Einrichtung bei normalem Druck und normaler Temperatur geschäumt werden.

[0019] Bei der Herstellung von Polyurethan konnte mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Verringerung der Rohdichte um etwa 10 % erreicht werden. Die Beladung von Polyol mit Kohlendioxid konnte von 1,2 g pro 20 ml durch Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung verzehnfacht werden.

[0020] Die unter Verwendung der Einrichtung erzeugten Schaumstoffe zeichnen sich durch ein geringeres Raumgewicht und eine geringere Wärmeleitfähigkeit bzw. bessere Dämmwirkung aus.

Ansprüche

1. Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethan mit vorzugsweise Kohlendioxid, gekennzeichnet durch einen Resonanzraum (10), in dem wenigstens ein Ultraschallwandler (14) freischwingend gelagert ist, eine dem Resonanzraum (10) vorgeschaltete Vorkammer (22), in welcher ein mechanisches Kavitationselement (28) angeordnet ist, durch welches eine innige Vermischung des in die Vorkammer (22) eingeleiteten Gases und der Flüssigkeit bewirkt wird, und einen der Resonanzkammer (10) nachgeschalteten Amplitudentransformer (32).

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Resonanzraum (10) zentralsymmetrisch ausgebildet ist und eine solche Form hat, daß die Energie mehrerer, sich jeweils paarweise gegenüberliegender oder kreisförmig angeordneter Ultraschallwandler (14) im geometrischen Mittelpunkt des Resonanzraums (10) fokussiert wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich jeweils zwei Ultraschallwandler (14) Paarweise gegenüberliegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (14) jeweils in einer zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) offenen Kammer (12) angeordnet sind und die Rückwand der Kammer (12) konkav gewölbt ist, so daß darauf abgestrahlte Energie zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) reflektiert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (14) Membranplatten sind, die frei umströmbar zwischen zwei elektrisch voneinander isolierten sternförmigen Kontaktspinnen gelagert sind, die in der Wand der Kammer (12) verankert sind und über welche die Ultraschallwandler mit elektrischem Strom versorgt werden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kavitationselement (28) eine diskusartige Form hat und am Ende einer schnell rotierenden fliegend gelagerten Welle befestigt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kavitationselement (28) axial zur Antriebswelle gerichtete Bohrungen (30) aufweist und die Wölbung der beiden Hauptflächen des Kavitationselements, d.h. Unterseite und Oberseite unterschiedlich sind, so daß bei Drehung des Kavitationselements eine Druckdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Kavitationselements entsteht, die eine axiale Strömung der Flüssigkeit durch die Bohrungen (30) hervorruft.

8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang der Bohrungen (30) in die gewölbte Unter- bzw. Oberseite des Kavitationselements (28) gerundet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Antriebswelle gerichtete Oberseite des Kavitationselements (28) stärker gewölbt ist, d.h. einen kleineren Krümmungsradius aufweist, als die Unterseite, die ein flacheres Profil besitzt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der radial äußere Rand des Kavitationselements (28) messerscharf ausläuft.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Amplitudentransfomator (32) mehrere enge Kanäle aufweist, die, wie die Gänge einer mehrgängigen Schraube, einen massiven Kern umgeben und die von der Flüssigkeits-Gas-Suspension vom Resonanzraum (10) zum Ausgang durchströmt werden.

Claims

1. A device for charging viscous fluids with gases, particularly polyhydric alcohols for the production of polyurethane preferably with carbon dioxide, characterized by a resonance chamber (10) with at least one ultrasonic converter (14) mounted therein so as to freely oscillate, an antechamber (22) connected before the resonance chamber (10), with a mechanical cavitation element (28) arranged in said antechamber (22) and effecting an intimate mixture of the gas fed into the antechamber (22) and the fluid, and by an amplitude transformer (32) connected after the resonance chamber (10).

2. The device according to claim 1, characterized in that the resonance chamber (10) is centralsymmetrically designed and is shaped in such a way that the energy of a plurality of ultrasonic converters (14) disposed opposite one another in pairs or arranged in a circle is focused in the geometric center of the resonance chamber (10).

3. The device according to claim 2, characterized in that two ultrasonic converters (14) each are disposed opposite one another in pairs.

4. The device according to claim 2 or 3, characterized in that the ultrasonic converters (14) are each arranged in a chamber (12) open toward the center of the resonance chamber (10), and the rear wall of the chamber (12) is concavely curved, so that energy radiated onto it is reflected to the center of the resonance chamber (10).

5. The device according to claim 4, characterized in that the ultrasonic converters (14) are diaphragm plates permitting free flow around them, mounted between two star-shaped contact spiders electrically insulated from one another and anchored in the wall of the chamber (12), with the ultrasonic converters being supplied with electric current via said contact spiders.

6. The device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cavitation element (28) is shaped like a discus and is fastened to the end of a rapidly rotating cantilevered shaft.

7. The device according to claim 6, characterized in that the cavitation element (28) has bores (30) directed axially toward the drive shaft, and the curvatures of the two principal surfaces of the cavitation element, i.e. the lower side and the upper side, are different, so that during rotation of the cavitation element a pressure difference between the upper and lower sides of the cavitation element occurs, creating an axial flow of the fluid through the bores (30).

8. The device according to claim 7, characterized in that the place of transition from the bores (30) to the curved lower and upper side, respectively, of the cavitation element (28) is rounded.

9. The device according to claim 7 or 8, characterized in that the upper side of the cavitation element (28), directed toward the drive shaft, is more heavily curved, i.e. has a smaller radius of curvature than the lower side having a flatter profile.

10. The device according to any of claims 6 to 9, characterized in that the cavitation element (28) tapers off radially to a very sharp edge.

11. The device according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the amplitude transformer (32) has several narrow channels surrounding a solid core in the manner of the threads of a multiple-thread screw, with the fluid-gas suspension flowing through said channels from the resonance chamber (10) to the exit.

Revendications

1. Dispositif pour charger des liquides visqueux en gaz, en particulier charger, de préférence en dioxyde de carbone, des polyols pour la réalisation de polyuréthane, caractérisé par une chambre de résonance (10) dans laquelle est disposé au moins un transducteur ultra-sonore (14) à oscillation libre, une pré-chambre (22) précédant la chambre de résonance (10), dans laquelle est disposé un élément de cavitation mécanique (28) par lequel est réalisé un mélange intime du gaz pénétrant dans la pré-chambre (22) et du liquide, et un transformateur d'amplitude (32) succédant la chambre de résonance (10).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de résonance (10) est à symétrie centrale et présente une forme telle que l'énergie de plusieurs transducteurs ultra-sonores (14) disposés par paires l'un en face de l'autre ou selon un cercle est concentrée dans le centre géométrique de la chambre de résonance (10).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que dans chaque paire deux transducteurs ultra-sonores (14) sont disposés l'un en face de l'autre.

4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les transducteurs ultra-sonores (14) sont disposés dans une chambre (12) ouverte vers le centre de la chambre de résonance (10), la face arrière de la chambre (12) étant de forme courbe concave, de manière que l'énergie qui y est émise est réfléchie vers le centre de la chambre de résonance (10).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les transducteurs ultra-sonores (14) sont des membranes à disque, permettant un écoulement libre à leur périphérie, qui sont disposées entre deux croisillons de contact isolés l'un par rapport à l'autre, qui sont fixés à la paroi de la chambre (12) et par lesquels les transducteurs ultra-sonores sont alimentés en courant électrique.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de cavitation (28) est en forme de disque fixé à l'extrémité d'un arbre à rotation rapide monté en porte-à-faux.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de cavitation (28) est muni de perçages (30) dirigés dans le sens axial de l'arbre et en ce que les courbures des deux faces principales de l'élément de cavitation, c'est-à-dire la partie inférieure et la partie supérieure, sont différentes de manière que, lors de la rotation de l'élément de cavitation, il se crée une différence de pression entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'élément de cavitation qui entraîne un écoulement axial du liquide par les perçages (30).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les raccords des perçages (30) avec les parties courbes supérieure et inférieure de l'élément de cavitation (28) sont arrondis.

9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la partie supérieure du côté de l'arbre de l'élément de cavitation (28) est plus fortement courbée, c'est-à-dire présente un rayon de courbure plus petit, que la partie inférieure qui présente un profil plus plat.

10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le bord radial de l'élément de cavitation (28) est coupant.

11. Dispositif selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le transformateur d'amplitude (32) est muni de plusieurs canaux étroits qui, comme les filets d'une vis à plusieurs filets, entourent un noyau massif et sont parcourus par la suspension liquide-gaz depuis la chambre de résonance (10) vers la sortie.

Zeichnung