DE102017008513B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder, umfassend ein erstes zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (1) und ein dazu konzentrisch angeordnetes zweites zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (2), wobei der Innendurchmesser Dades ersten magnetfelderzeugenden Systems (1) größer als der Außendurchmesser Dides zweiten magnetfelderzeugenden Systems (2) ist und der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten magnetfelderzeugenden System als Prozessraum (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder das zweite magnetfelderzeugende System Flussleitelemente mit Nut- oder Zahnschrägungen (3a, 3b) über die gesamte Höhe/Länge der magnetfelderzeugenden Systeme (1, 2) aufweisen, in welche mehrsträngige, mehrpolige, geschrägte Spulenwicklungen (4a, 4b), die als verteilte Ein- oder Mehrschichtwicklungen mit einer Lochzahl gleich 1 ausgeführt sind, integriert sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder, die einen Prozessraum durchdringen und eine sich zeitlich und örtlich ändernde Kraftverteilung auf im Prozessraum befindliche und als Mahlkörper dienende ferromagnetische Teilchen oder Körper bewirken. Als Reaktion auf die Krafteinwirkung bewegen sich die ferromagnetischen Teilchen oder Körper relativ zu einander und verursachen damit eine mechanische Beanspruchung in Form von Prall, Schlag, Druck und/ oder Reibung bzw. Scherung auf die dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemischen, die sich ebenfalls im Prozessraum befinden oder diesem zugeführt werden.
• Aus dem Stand der Technik sind elektromechanische Mahlaggregate bekannt, deren elektromagnetische Erregersysteme entweder magnetische Drehfelder (z.B. DE 32 33 926 A1 , , DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 ) oder magnetische Wanderfelder ( DE 32 33 926 A1 , DE 32 40 021 A1 , DE 32 40 057 A1 , SU 110 3887 , EP 0 434 985 A1 ) oder magnetische Wechselfelder ( SU 480 447 , DE 25 56 935 A1 , DE 34 07 608 C2 , , EP 0 531 988 ) in einem Prozessraum erzeugen, um ferromagnetische Teilchen oder Körper, die als Mahlkörper dienen, relativ zueinander zu bewegen und somit einen mechanischen Druck in Form von Prall, Schlag und/ oder Reibung bzw. Scherung auf disperse Stoffe und pumpfähige Mehrphasengemische auszuüben und schlussendlich diese zu zerkleinern, zu desagglomerieren, zu dispergieren und/ oder zu mischen.
• Diese Erregersysteme haben allerdings den Nachteil, dass die generierten Magnetfelder im elektromagnetischen Wirkbereich (= Luftspaltraum bei DE 32 33 926 A1 , , DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 , DE 32 33 926 A1 , DE 32 40 021 A1 , DE 32 40 057 A1 , SU 110 3887 , EP 0 434 985 A1 oder Spuleninnenraum bei SU 480 447 , DE 25 56 935 A1 , DE 34 07 608 C2 , , EP 0 531 988 ) vorrangig nur zweidimensional sind, d.h. die dritte Richtungskomponente vernachlässigbar klein ist. Folglich bildet sich auch nur ein Vektorgradient mit 2 Richtungskomponenten aus, der wiederum auch vorrangig nur Dreh- und/ oder oszillierende Bewegungen der im Prozessraum vorhandenen Mahlkörper anregt. Es findet keine elektromagnetisch generierte Bewegung der im Prozessraum vorhandenen Mahlkörper in die Tiefe des Prozessraumes statt und damit auch keine Vermischung der dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische in dieser Richtung.
• Außerdem sind die magnetischen Rückhaltekräfte für die Mahlkörper zu gering, sodass bei kontinuierlicher Zu- und Abführung des aufzubereitenden Materials die Mahlkörper entweder durch die Schwerkraft oder die Schleppkraft des Materialstromes außerhalb des elektromagnetisch aktiven Bereichs gelangen und hier infolge der immer kleiner werdenden Feldintensitäten nicht mehr aufbereitungswirksam sind und im Prozessraum ihr Füllgrad sinkt und auch hier die Aufbereitungseffekte (Zerkleinern und/ oder Desagglomerieren und/ oder Dispergieren und/ oder Mischen) abnehmen. Zudem weisen die verwendeten Wicklungsausführungen für die Erregersysteme im Betrieb große Ohm'sche Verluste auf, die die notwendige Leistung bzw. Energie für die Aufbereitungsaufgabe vergrößern und das elektromechanische Mahlaggregat sowie das aufzubereitende Produkt erwärmen oder zusätzliche Maßnahmen zur Verlustabführung (Kühlung) erforderlich sind.
• Die magnetfelderzeugenden Systeme der in EP 0 510 256 B1 und DE 41 29 360 A1 vorgestellten Vorrichtungen zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder erzeugen im Prozessraum (Spalt zwischen den magnetfelderzeugenden Systemen) vorrangig nur ein zweidimensionales Magnetfeld. Die dritte Komponente ist vernachlässigbar klein. Im Gegensatz zu den in EP 0510 256 B1 dargelegten Erwartungen können somit die Arbeitskörper (Mahlkörper) nicht in den elektromagnetisch aktiven Bereich der Ringspaltkammer gezogen und gehalten werden oder nicht, wie in DE 41 29360 A1 beschrieben, die magnetischen Rückhaltekräfte an den zu zerkleinernden magnetischen Materialteilen hinreichend lange Verweilzeiten des zu zerkleinernden magnetischen Materials im Prozessraum gewährleisten. Zudem sind die Mahlkörper in EP 0 510 256 B1 und das zu zerkleinernde magnetische Material in DE 41 29 360 A1 nicht gleichmäßig über die gesamte Länge / Höhe des Prozessraums verteilt. Letzteres gelingt in Grenzen in EP 0 510 256 B1 und in DE 41 29 360 A1 nur in einem Arbeitspunkt, nämlich dann, wenn die Schleppkräfte eines von unten (entgegen der Schwerkraft) in die Ringspaltkammer (Prozesskammer) eingebrachten Fluides (Mehrphasenstrom in EP 0 510 256 B1 oder gasförmiger oder flüssiger Trägerstrom in DE 41 29 360 A1 ) genutzt werden.
• Werden die Schleppkräfte infolge z.B. großer Durchsätze und / oder hoher Viskositäten zu groß, so werden die Arbeitskörper in EP 0 510 256 B1 aus der Ringspaltkammer ausgetragen oder in DE 41 29 360 A1 das zu zerkleinernde magnetische Material unzureichend zerkleinert. Es müsste also immer an jedem Ort und zu jeder Zeit im Prozessraum ein Gleichgewicht zwischen der magnetischen Rückhaltekraft, der Schwerkraft, der Auftriebskraft und der Schleppkraft bestehen. Dieses Gleichgewicht ist jedoch labil, da der optimale Arbeitspunkt ein lokales Maximum darstellt und es durch die magnetisch verursachten und zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen zwingend erforderlichen Bewegungskräfte (Beschleunigung, Bremsen, Drehung) gestört wird. Jegliche Änderungen der Lage der Mahlkörper oder des zu zerkleinernden magnetischen Materials und / oder infinitesimale Änderungen der Prozessparameter (infolge von Messfehlern oder Steuer-/Regelabweichungen) führen in EP 0 510 256 B1 zu unerwünschten Verdichtungen der Arbeitskörper im unteren Bereich des elektromagnetischen Prozessraumes bzw. deren Austritt in dieser Richtung und in DE 41 29 360 A1 zum unerwünschten vorzeitigen Austrag des zu zerkleinernden magnetischen Materials.
• Daneben wird in der WO 2004/070921 A1 eine Lösung zur Reduzierung von Störgrößen im Betriebsverhalten von permanentmagneterregten Drehstrommaschinen vorgeschlagen, bei der die Pollücken aller Pole gleich sind und ein Polpaar bei unveränderter Pollücke um einen bestimmten Abstand verschoben ist. Damit soll die Grundwelle des Rastmomentes ausgelöscht und höhere Harmonische des Rastmomentes zusätzlich gedämpft werden. Dies bewirkt in der Folge eine Beeinflussung der höheren Harmonischen der induzierten Spannungen.
• Mit diesen Maßnahmen sollen in Induktionsmaschinen Oberschwingungen minimiert (Nutschrägungen glätten nutharmonische Spannungsoberschwingungen) und / oder bestimmte Oberschwingungen (Lochzahlanpassungen führen zur Unterdrückung unerwünschter Folgen von Oberschwingungen) unterdrückt werden, um einen ruhigen Maschinenlauf (z.B. ohne Rüttelkräfte und Rastmomente) zu gewährleisten und / oder Verluste (insbesondere Wirbelstromverluste) in den Flussleitelementen zu minimieren. Das gelingt aber in der dargestellten Art und Weise nur, weil in einem Teilsystem das Magnetfeld erzeugt und in einem weiteren Teilsystem Spannungen induziert werden, wobei ein Teilsystem mechanisch fixiert ist (Stator) und das andere Teilsystem als Läufer oder Rotor beweglich gelagert ist (rotier- oder verschiebbar). Zudem ist zwischen beiden Teilsystemen lediglich ein kleiner Luftspalt (« 5 mm), da eine induktive Kopplung erforderlich ist.
• Die magnetfelderzeugenden Systeme in den bekannten Vorrichtungen zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen) sind hinsichtlich ihrer Funktionsweise nicht mit denen von elektrischen Maschinen vergleichbar, da bei ersteren beide Teilsysteme elektrisch erregt sind und je ein Magnetfeld erzeugen, welche sich im Prozessraum (Luftspalt zwischen den Teilsystemen) überlagern. Zudem sind beide Teilsysteme mechanisch fixiert (Statoren) und, da eine induktive Kopplung hier nicht erforderlich ist, durch einen großen Luftspalt (>> 5 mm) voneinander beabstandet.
• Auch die Nutzung von ein- und / oder mehrschichtigen Zahnspulenwicklungen ist im Elektromaschinenbau seit längerem bekannt (z.B. DE 10 2008 006 399 A1 oder You-Young Choe et al.: Comparison of Concentrated and Distributed Winding in an IPMSM for Vehicle Traction. Energy Procedia 14 (2012), pp 1368-1373). Damit können kürzere Wickelköpfe eingesetzt und die Stromwärmeverluste reduziert werden. Zudem sind die Spulen einfacher zu fertigen und die Wicklungsisolierung in den Nuten und in den Wickelköpfen ist einfacher ausführbar. Schließlich sind hochpolige Maschinenauslegungen mit geringen Aktivmassen realisierbar, wobei jedoch die zwangsläufig auftretenden Ober- und Unterschwingungen durch Sehnungen der Spulen unterdrückt werden müssen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen bereitzustellen, mit denen die ferromagnetischen Teilchen und/ oder Körper (= Mahlkörper) im elektromagnetisch aktiven Bereich besser gehalten und elektromagnetisch über die Breite, Länge und Tiefe des Prozessraumes (dreidimensional) bewegt werden und nicht durch die auf sie wirkenden Schwer- oder Schleppkräfte des Materialstromes außerhalb des elektromagnetisch aktiven Bereiches des Prozessraums gelangen, so dass sie im Prozessraum eine mechanische Beanspruchung in allen Richtungen und/ oder Freiheitsgraden auf disperse Stoffe und pumpfähige Mehrphasengemische ausüben und diese effizient zerkleinern desagglomerieren, dispergieren oder mischen.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten oder zweiten Patentanspruchs und verfahrensseitig mit den Merkmalen des sechsten Patentanspruches.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen weist mindestens zwei zueinander konzentrisch angeordnete zylinderförmige magnetfelderzeugende Systeme auf, die Flussleitelemente mit integrierten geschrägten, mehrsträngigen und mehrpoligen Spulenwicklungen umfassen. Dabei können die Flussleitelemente als laminierte Blechpakete oder hochpermeable, gering elektrisch leitfähige, monolithische Kompositmaterialien und die Spulenwicklungen entweder als verteilte Einschichtwicklungen mit einer Lochzahl (= Spulenanzahl pro Pol 2p und Strang m) gleich 1 oder als konzentrierte ein- oder mehrschichtige Zahnspulenwicklungen ausgeführt sein.
• Die Spulenwicklungen werden mit einem entsprechend mehrsträngigen Stromsystem gespeist, sodass im Prozessraum ein dreidimensionales, sich zeitlich und örtlich änderndes Magnetfeld mit einer sich zeitlich und örtlich dreidimensional ändernden Vektorgradientverteilung entsteht. Letztere bewirkt oberhalb einer Mindestfeldstärke eine dreidimensionale Kraftverteilung, die größer als die auf im Prozessraum befindliche ferromagnetische Teilchen und/ oder Körper (Mahlkörper) wirkenden magnetischen Anziehungs- und Schwerkräfte ist.
• Der Effektivwert einer Richtungskomponente des Vektorgradienten an den Enden der magnetfelderzeugenden Systeme ist immer ins Innere des Prozessraumes gerichtet, sodass die hier befindlichen ferromagnetischen Teilchen und/ oder Körper entgegen den Schwer- und Schleppkräften im elektromagnetisch aktiven Bereich zurückgehalten werden und sich im elektromagnetischen Wirkbereich des Prozessraumes determiniert dreidimensional bewegen und somit eine dreidimensionale mechanische Beanspruchung in Form von Prall, Schlag, Druck und/ oder Reibung bzw. Scherung auf die dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische ausüben, wodurch diese effizient zerkleinert, desagglomeriert, dispergiert oder gemischt werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, welche die Erfindung jedoch nicht einschränken. Es zeigt:
• 1 - einen Querschnitt (links) und die Spulenwicklungen (rechts) einer Erregeranordnung eines bekannten elektromechanischen Mahlaggregates mit in Nuten verteilter, dreisträngiger (m=3), vierpoliger (2p=4), gesehnter (ε_l=2, _ε||=1 ) Zweischichtwicklung mit den Lochzahlen der Wicklung des äußeren Erregersystems q_l=3 und des inneren Erregersystems q_ll=2 (Stand der Technik)
• 2 - einen Ausschnitt aus dem Querschnitt der Erregeranordnung des bekannten elektromechanischen Mahlaggregates nach 1 mit einer Unterteilung der Prozessraumbreite in Kreise j = 1...16 für die Berechnung der Effektivwerte der Richtungskomponenten des Vektorgradienten im elektromagnetisch aktiven Bereich und ihre Verteilung
• 3 - die Verteilung der Effektivwerte der r- (links, ∇B_r,ff (j)) und φ-Komponente (rechts, ∇B_φ,eff (j) ) des magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum des Mahlaggregates nach 1 bei verschiedenen Prozessraumfeldstärken H_δ
• 4 - die Verteilung der z-Komponente VB_z,j,eff (z) des Effektivwertes des magnetischen Vektorgradienten auf ausgewählten Kreisen: j = 1 in Nähe des inneren magnetfelderzeugenden Systems, j = 8 in Mahlspaltmitte und j = 16 in der Nähe des äußeren magnetfelderzeugenden Systems des Mahlaggregates nach 1
• 5 - einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten verteilten, dreisträngigen (m=3), vierpoligen (2p=4), nicht gesehnten (ε_|=0, ε_||=0), jedoch geschrägten Zweischichtwicklungen mit der Lochzahl q_l=3 der Spulenwicklung des äußeren magnetfelderzeugenden Systems und der Lochzahl q_ll=2 der Spulenwicklung des inneren magnetfelderzeugenden Systems
• 6- die Verteilung der z-Komponente ∇B_z,j,eff (z) des Effektivwertes des magnetischen Vektorgradienten auf ausgewählten Kreisen: j = 1 in Nähe des inneren magnetfelderzeugenden Systems, j = 8 in Mahlspaltmitte und j = 16 in der Nähe des äußeren magnetfelderzeugenden Systems eines Mahlaggregates nach 5
• 7 - einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten verteilten, ungesehnten, dreisträngigen (m=3) und vierpoligen (2p=4) Einschichtwicklungen mit Lochzahlen q_l=q_ll=1
• 8 - die Verteilung der Effektivwerte der r- (links) und φ-Komponente(rechts) des magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen: j = 1...16 im Prozessraum eines Mahlaggregates nach 7 im Vergleich zu der Erregeranordnung nach 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m
• 9 - einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Einschichtzahnspulenwicklungen
• 10 - einen Querschnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Zweischichtzahnspulenwicklungen
• 11 - die Verteilung der Effektivwerte der r- und φ-Komponentedes magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen, j = 1...16 im Prozessraum von Mahlaggregaten nach 9 und 10 im Vergleich zu der Erregeranordnung nach 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m
• In 1 ist links der Querschnitt der Erregeranordnung aus gegenüberliegenden Erregersystemen (1) und (2) und rechts herausgezogen nur die Wicklung eines nach DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 bekannten elektromechanischen Mahlaggregates mit dreisträngigen (m=3), vierpoligen (2p=4), gesehnten Zweischichtwicklungen, die im vorliegenden Beispiel außen in N_I=36 Nuten (3a) und innen in N_||=24 Nuten (3b) verteilt in laminierten Blechpaketen angeordnet sind. Die Höhe (Länge) der Blechpakete, die auch die Höhe (Länge) des elektromagnetisch aktiven Bereiches definiert, beträgt 55 mm. Die Lochzahl der Wicklung des äußeren Erregersystems (1) beträgt q_l=3 und ihre Sehnung ε_|=2. Die Lochzahl der Wicklung des inneren Erregersystems (2) beträgt q_ll=2 und ihre Sehnung ε_|=1. Die Polpaarzahl p beider Wicklungen ist identisch und beträgt 2. Das äußere Erregersystem (1) hat den Innendurchmesser Da=76 mm. Das innere Erregersystem (2) weist einen Innendurchmesser Di=26 mm auf. Der so zwischen den inneren (2) und äußeren (1) Erregersystemen entstehende Prozessraum/ Mahlspalt (6) besitzt die Breite von δ = 25 mm. Hierin ist die Prozesskammer angeordnet, vorzugsweise als Ringspaltkammer ausgeführt, in der sich die Mahlkörper und das aufzubereitende Material (disperse Stoffe, pumpfähigen Mehrphasengemische) zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen befinden.
• Zur Berechnung der Effektivwerte der Richtungskomponenten ∇B_r,φ,z,eff der magnetischen Vektorgradientverteilung $\nabla \overrightarrow{B}\left(r,\phi ,z,t\right)$

  

  die von den Erregersystemen (1) und (2) im, am Ende und außerhalb des elektromagnetisch aktiven Bereich des Prozessraumes aufgebaut wird, wird der Mahlspalt (6) mit j-Kreisen mit dem Radius R_j im Abstand Δa_j, die je Kreis i - Punkte mit den Abständen Δa_j,i aufweisen, vernetzt, vgl. 2. Dann ergeben sich für die Effektivwerte der Richtungskomponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung ∇B_r,φ,z,eff für jeden j-ten Kreis aus den mit ANYS Maxwell^® darauf simulierten Richtungskomponenten der Flussdichtewerte B_r,φ,z,j,i zu einem Zeitpunkt ωt=const.: $$\nabla B_{r,\phi ,z,j,eff}=\sqrt{\frac{1}{n_j}{\displaystyle \sum _{i=1}^{n_j}{\left(\nabla B_{r,\phi ,z,i,j}\right)}^2}}$$

  

  mit $$\nabla B_{r,j,i}=\frac{\partial B_{r,j,i}}{\partial r}+\frac{\partial B_{r,j,i}}{r\cdot \partial \phi }+\frac{\partial B_{r,j,i}}{\partial z},$$

  

  $$\nabla B_{\phi ,j,i}=\frac{\partial B_{\phi ,j,i}}{\partial r}+\frac{\partial B_{\phi ,j,i}}{r\cdot \partial \phi }+\frac{\partial B_{\phi ,j,i}}{\partial z},$$

  

  $$\nabla B_{z,j,i}=\frac{\partial B_{z,j,i}}{\partial r}+\frac{\partial B_{z,j,i}}{r\cdot \partial \phi }+\frac{\partial B_{z,j,i}}{\partial z},$$

  

  wobei r, φ und z die Polarkoordinaten darstellen.
• In 3 sind die berechneten Verteilungen der Effektivwerte der r- (links, ∇B_r,ff (j) ) und φ-Komponente(rechts, ∇B_r,ff (j) ) des magnetischen Vektorgradienten für ωt = 0 auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum eines elektromechanischen Mahlaggregates nach 1 bei verschiedenen, gebräuchlichen Prozessraumfeldstärken im Bereich von 25 kA/m bis 125 kA/m dargestellt, wobei der Mahlspalt (6) mit 16 Kreisen, deren Abstand Δaj= 1 mm beträgt und die jeweils 500 Punkte aufweisen, vernetzt wurde.
  Die Prozessraumfeldstärke H_δ = 25 kA/m ist größer als die Mindestfeldstärke, die bei Verwendung von hartferritischen Mahlkörpern mit magnetischen Polarisationen von J = 150 mT und der Größe d_MK ≤ 5 mm die auf sie wirkenden Anziehungs- und Schwerkräfte überwindet und sie elektromagnetisch determiniert bewegt. Bei höheren magnetischen Polarisationen J > 150 mT und Mahlkörpergrößen d_MK > 5 mm bzw. größeren Mahlkörperdichten als Hartferritmaterialien muss die Mindestprozessraumfeldstärke vergrößert werden. Ist die magnetische Polarisation der Mahlkörper J < 150 mT und ihre Größe d_MK < 5 mm kann die erforderliche Mindestfeldstärke abgesenkt werden.
  Die Prozessraumfeldstärke H_δ = 125 kA/m ist kleiner als die Maximalfeldstärke, bei der bei Verwendung von hartferritischen Mahlkörpern mit Koerzitivfeldstärken von _JH_c = 200 kA/m keine signifikante Abmagnetisierung (> 10 %) der Mahlkörpern auftritt, die ihre Bewegungsintensität und damit das Aufbereitungsergebnis mindert.
  Bei Verwendung von Mahlkörpern aus Magnetmaterialien mit kleineren Koerzitivfeldstärken _JH_c < 200 kA/m muss die Maximalfeldstärke reduziert werden, bei Koerzitivfeldstärken _JH_c > 200 kA/m kann die Maximalfeldstärke größer als 125 kA/m betragen.
• Die beispielhaften Darstellungen ∇B_r,eff(j) und ∇B_φ,eff(j) in 3 zeigen, dass die örtlichen Effektivwerte der Richtungskomponenten des Vektorgradienten auf den Kreisen j etwa gleich groß sind. Demzufolge werden die Mahlkörper in den r- und φ-Richtungen etwa gleich beschleunigt oder abgebremst. Weiterhin sind die Effektivwerte der Richtungskomponenten des Vektorgradienten in der Nähe der Erregersysteme (j = 1 und j = 16) größer als in Prozessraummitte (j = 8). Diese Unterschiede nehmen mit wachsender Prozessraumfeldstärke H_δ zu. In Erregersystemnähe sind also die elektromagnetisch initiierten Mahlkörperbewegungen intensiver. Ebenso kann abgeleitet werden, dass die Größe der Prozessraumfeldstärke H_δ die Größe des Vektorgradienten und damit die Bewegungsintensität der Mahlkörper bestimmt. Sie ergibt sich aus dem Wicklungsdesign (Anzahl paralleler Spulengruppen a und Spulenwindungszahl w_Sp), der Größe der Strangströme der Erregersysteme (1) |_l,l und (2) |_l,ll und der damit realisierten magnetischen Durchflutung Θ des Prozessraumes sowie dessen Breite δ. Es gilt: $$H_{\delta }=\frac{1}{\delta }\left[{\left(\left(\frac{I_1}{\alpha }\cdot \frac{w_{Sp}}{\delta }\right)\left(\frac{\Theta }{w_{Sp}\cdot I_{Zw}}\right)\right)}_I+{\left(\left(\frac{I_1}{\alpha }\cdot \frac{w_{Sp}}{\delta }\right)\left(\frac{\Theta }{w_{Sp}\cdot I_{Zw}}\right)\right)}_{II}\right],$$

  

  mit

wSp

Spulenwindungszahl,

a

Anzahl der parallelen Spulengruppen,

IZw

Zweigstrom in den parallelen Gruppen und

I, II

Indizes für das äußere (I) bzw. innere (II) Erregersystem.

• 4 zeigt beispielhaft die Verteilung des Effektivwertes ∇B_z,j,eff (z) der z-Komponente der magnetischen Vektorgradientverteilung eines elektromechanischen Mahlaggregates nach 1, deren elektromagnetisch aktiver Bereich eine Höhe (Länge) von 55 mm hat. Am unteren Ende der Blechpakete der Erregersysteme (1) und (2) bei z = -27,5 mm und auch am oberen Ende der Blechpaketende bei z = +27,5 mm erreichen die Werte von ∇B_z,j,eff maximal 1,5 T/m in der Nähe des inneren Erregersystems (2) (j = 1). In Prozessraummitte (j = 8) und in der Nähe des äußeren Erregersystems (1) (j = 16) sind die z-Komponenten ∇B_z,j,eff sogar noch kleiner. Diese Werte sind zur Rückhaltung von hartferritischen Mahlkörpern mit magnetischen Polarisationen J ≥ 100 mT jedoch viel zu klein. Im Bereich z = ±12,5 mm ist der Effektivwert der z-Komponente ∇B_z,j,eff über die gesamte Prozessraumbreite sogar Null. Er umfasst etwa 50 % der Länge des elektromagnetisch aktiven Bereiches bei dem relativ kurzen elektromechanischen Mahlaggregat. Bei längeren elektromechanischen Mahlaggregaten wird dieser Anteil noch größer. Deshalb werden in derartigen Mahlaggregaten die Mahlkörper ohne zusätzliche Maßnahmen, wie z.B. die Anordnung von zusätzlichen spulenartigen Magnetsystemen an den Enden der Erregeranordnung und/ oder der Einsatz von Trenn- oder Siebböden im Prozessraum bzw. die Aufprägung einer Gegenströmung entweder des aufzubereitenden Materials oder eines zusätzlichen Fluids (Gas oder Flüssigkeit) zur Stofftrennung im Prozessraum, nicht zurückgehalten und bewegen sich nicht über die gesamte Prozessraumhöhe (-länge). Sie werden nach kurzer Betriebszeit entweder infolge der Schwerkraft oder infolge von aus dem Materialtransport resultierenden Schleppkräften und unzureichender magnetischer axialer Kräfte sogar aus dem elektromagnetischen Bereich des Prozessraumes heraus transportiert.
  Außerdem sind die magnetischen Rückhaltekräfte in den Prozessräumen der in DE 41 13 490 A1 , DE 41 29 360 A1 , DE 199 55 219 B4 , EP 0510 256 B1 oder US 5,348,237 vorgestellten elektromechanischen Mahlaggregate sehr klein. Zusätzliche elektrisch aktivierte Spulen, angeordnet an den Blechpaketenden oder verteilt über die Höhe (Länge) des Blechpaketes des äußeren Erregersystems, müssen mit relativ großen Strömen, die schon bei der beispielhaften Erregeranordnung des in 1 gezeigten Mahlaggregates im Kiloampere-Bereich liegen, betrieben werden. Aufgrund des endlichen elektrischen Widerstandes der Spulen und aufgrund der Tatsache, dass die Ohm'schen Verluste quadratisch mit dem Spulenstrom steigen, ist die energetische Effizienz eines derartigen elektromechanischen Mahlaggregates relativ gering. Des Weiteren müssen Kühlmaßnahmen integriert werden, um örtliche Erwärmungen in Grenzen zu halten.
• Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Blechpakete mit schrägen Nuten zu versehen. Die Schrägung der Nuten über die Höhe (Länge) der Blechpakete entsprechend 5 erhöht die z-Komponente der Effektivwerte des Vektorgradienten ∇B_z,j,eff an den Enden der Blechpakete der Erregersysteme (1) und (2) bei z = ±27,5 mm nicht wesentlich, aber über die gesamte Breite des Prozessraumraumes im Bereich z = ±12,5 mm signifikant (vgl. 6 und 4). Der im Bereich z = ±12,5 mm, von Null signifikant verschiedene Effektivwert der z-Komponente ∇B_z,j,eff bedingt eine dritte Bewegungs- und damit auch eine dritte Beanspruchungskomponente der Mahlkörper. Die Nutschrägungen betragen im dargestellten Beispiel:
• • für das äußere magnetfelderzeugende System (1): $\frac{360°}{N_I}=\frac{360°}{36}=10°$
  
• • für das innere magnetfelderzeugende System (2): $\frac{360°}{N_{II}}=\frac{360°}{24}=15°$
  
• Dabei ist die Größe der Schrägung der Nuten über die Höhe (Länge) der Blechpakete abhängig von der Größe und Leistung des elektromechanischen Aufbereitungsaggregates. Bei kleinen elektromechanischen Aufbereitungsaggregaten mit Leistungen ≤10 kVA und Blechpakethöhen /-längen L_BP ≤ 0,1 m sind Schrägungen bis zu einer Nutteilung vorteilhaft. Größere elektromechanischen Aufbereitungsaggregaten mit Leistungen > 10 kVA und Blechpakethöhen /-längen LBP > 0,1 m sind Schrägungen bis zu einem Vielfachen von 360°/N_I bzw. 360°/N_ll vorteilhaft. Dabei sollte aber $$x\frac{360°}{N_I}\le \frac{360°}{2p_I}$$

  

  bzw. $$Y\frac{360°}{N_{II}}\le \frac{360°}{2p_{II}}$$

  

  wobei x, y = 1, 2, 3 ...n; N die Nutzahl und p die Polpaarzahl bezeichnen, eingehalten werden.
• Mit der aus den Nutschrägungen resultierenden z-Komponente ∇B_z,j,eff des Effektivwertes des Vektorgradienten werden die hartmagnetischen Mahlkörper auch über die gesamte Höhe (Länge) des Prozessraumes elektromagnetisch determiniert bewegt und nicht nach kurzer Betriebszeit entweder infolge der Schwerkraft oder infolge von aus dem Materialtransport resultierenden Schleppkräften aus dem elektromagnetischen Wirkbereiches des Prozessraumes heraus transportiert. Die dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische können also effizient zerkleinert, desagglomeriert, dispergiert oder gemischt werden.
• Weitere Steigerungen des magnetischen Vektorgradienten im Prozessraum von elektromechanischen Mahlaggregaten können mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verteilten Einschichtwicklungen mit Lochzahlen q_l = q_ll = 1 erzielt werden. In 7 ist beispielhaft ein Querschnitt einer solchen Ausführungsform dargestellt. Sie umfasst zwei konzentrisch angeordnete magnetfelderzeugende Systeme mit in geschrägten Nuten verteilten, ungesehnten, dreisträngigen (m=3) und vierpoligen (2p=4) Einschichtwicklungen mit Lochzahlen q_l=q_ll=1. Die Nutenzahlen des äußeren und inneren Erregersystems sind gleich groß und betragen N_I=N_II =12. Außerdem ist die Fertigung solcher magnetfelderzeugenden Systeme wesentlich einfacher.
• 8 zeigt die Verteilungen der Effektivwerte der r- (links) und φ-Komponente(rechts) der magnetischen Vektorgradientverteilung auf den Kreisen: j = 1...16 im Prozessraum eines elektromechanischen Mahlaggregates mit magnetfelderzeugenden Systemen nach 7 im Vergleich zu einer Erregeranordnung gemäß 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m. Die Reduzierung der Lochzahlen der Spulenwicklungen auf q_l=q_ll=1 und damit auch der Nutzahlen der Blechpakete auf N_l=N_ll =12 führt zu höheren Effektivwerten der r- (links, ∇B_r,eff(j)) und φ-Komponente (rechts, ∇B_φ,eff(j)) des magnetischen Vektorgradienten auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum. Daraus resultieren eine höhere Intensität der mechanischen Beanspruchung in Form von Prall, Schlag, Druck und/ oder Reibung bzw. Scherung und somit bessere Aufbereitungsergebnisse bzw. kann das angestrebte Aufbereitungsergebnis in kürzerer Zeit erreicht werden. Andererseits können zur Erzielung des angestrebten Aufbereitungsergebnisses die Prozessraumfeldstärke H_δ und damit die Ströme in den magnetfelderzeugenden Systemen gesenkt werden. Folglich reduzieren sich bei Verwendung einer solchen Ausführungsform nicht nur die Fertigungskosten. Die energetische Effizienz des Aufbereitungsprozesses kann gleichfalls erhöht werden.
• In 9 ist ein Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Einschichtzahnspulenwicklungen dargestellt. Die Spulen sind jeweils um einen Zahn des Blechpaketes gewickelt oder wurden vorgefertigt und auf den Zahn gesteckt. Im Falle vorgefertigter Spulen sind die Nuten total offen, d.h. die Zähne besitzen keine Zahnecken. Diese Ausführung ist vorteilhaft nutzbar für elektromechanische Aufbereitungsaggregate mit Leistungen größer als 10 kVA.
  Neben der Reduzierung des fertigungstechnischen Aufwandes wird dabei auch die Wickelkopfhöhe gegenüber verteilten mehrsträngigen Wicklungen signifikant geringer. Dadurch reduziert sich auch die erforderliche Menge an Wicklungsmaterial und der Ohm'sche Wicklungswiderstand, wodurch kleinere Wicklungsverluste entstehen. Damit weisen elektromechanische Mahlaggregate mit derartigen magnetfelderzeugenden Systemen höhere elektrische Wirkungsgrade auf bzw. verbrauchen weniger elektrische Energie.
• Die konzentrierte Einschichtwicklung ist auch als konzentrierte Zweischichtwicklung ausführbar. In 10 ist dementsprechend der Querschnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei konzentrisch angeordneten magnetfelderzeugenden Systemen mit in Nuten konzentrierten, dreisträngigen und vierpoligen Zweischichtzahnspulenwicklungen offenbart. Hier ist wieder um jeden Zahn der Blechpakete eine Spule gewickelt oder vorgefertigt draufgesteckt, aber sodass in jeder Nut zwei Spulenseiten verschiedener Stränge liegen.
• 11 stellt die Verteilung der Effektivwerte der r- und φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung auf den Kreisen j = 1...16 im Prozessraum der Ausführungsbeispiele nach 9 und 10 im Vergleich zu der Erregeranordnung gemäß 1 bei einer Prozessraumfeldstärke von H_δ = 70 kA/m dar. Bei gleicher Prozessraumfeldstärke sind die Effektivwerte der r- und φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung im Prozessraum der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung größer als die der Erregeranordnung nach 1, wobei mit der konzentrierten Einschichtwicklung gemäß 9 die größten Effektivwerte der rund φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung erzielt werden können.
• Somit können mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere mit Einschichtwicklungen, nicht nur Einsparungen von Material und Fertigungskosten realisiert, sondern auch die Aufbereitungseffizienz (Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen) verbessert werden.
• Die magnetfelderzeugenden Systeme mit konzentrierten ein- und mehrschichtigen Zahnspulenwicklungen können auch geschrägt ausführt sein, sodass, wie im Ausführungsbeispiel nach 5 beispielhaft gezeigt, zusätzlich zu der Vergrößerung der Effektivwerte der r- und φ-Komponenten der magnetischen Vektorgradientverteilung im Prozessraum auch eine z-Komponente über die gesamte Länge (Höhe) des elektromechanischen Aufbereitungsaggregat realisiert werden kann. Die Schrägung der Spulenwicklung über die Höhe (Länge) der Blechpakete und damit der Zähne ist auch bei konzentrierten Wicklungen abhängig von der Größe und Leistung des elektromechanischen Aufbereitungsaggregates.
  Folglich können die Mahlkörper mit diesen Ausführungsformen noch intensiver und über die gesamte Höhe (Länge) des Prozessraumes elektromagnetisch determiniert bewegt und nicht nach kurzer Betriebszeit entweder infolge der Schwerkraft oder infolge von aus dem Materialtransport resultierenden Schleppkräften aus dem elektromagnetischen Bereich des Prozessraumes heraus transportiert werden.
• In jeder der vorgestellten Ausführungsformen können die Blechpakete aus zusammengesetzten Elektroblechen oder aus einem monolithischen, magnetisch hochpermeablen, gering elektrisch leitfähigen Kompositmaterial bestehen.
• Die beispielhaft vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Auslegungen der magnetfelderzeugenden Systeme sind auch anwendbar in elektromechanischen Mahlaggregaten mit mehr als einen Prozessraum/ Mahlspalt/ Arbeitsspalt und in elektromechanischen Mahlaggregaten mit zusätzlichen Magnetsystemen für die magnetische Rückhaltung und axiale Verteilung der Mahlkörper im Prozessraum.
• Bezugszeichenliste

1

äußeres magnetfelderzeugendes System

2

inneres magnetfelderzeugendes System

3a

Nut mit Spulenwicklung des äußeren magnetfelderzeugenden Systems

3b

Nut mit Spulenwicklung des inneren magnetfelderzeugenden Systems

4a

Wicklung des äußeren magnetfelderzeugenden Systems

4b

Wicklung des inneren magnetfelderzeugenden Systems

5

Kreise für die Diskretisierung des Prozessraumes

6

Prozessraum / Mahlspalt

bMS,I

Breite des äußeren magnetfelderzeugenden System

bMS,II

Breite des inneren magnetfelderzeugenden System

LWK

Wickelkopfhöhe

Da

Innendurchmesser des äußeren magnetfelderzeugenden Systems

Di

Außendurchmesser des inneren magnetfelderzeugenden Systems

LBP

Länge / Höhe des Blechpaketes, elektromagnetischer Wirkbereich

δ

Breite des Prozessraumes / Mahlspaltes

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder, umfassend ein erstes zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (1) und ein dazu konzentrisch angeordnetes zweites zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (2), wobei der Innendurchmesser D_a des ersten magnetfelderzeugenden Systems (1) größer als der Außendurchmesser D_i des zweiten magnetfelderzeugenden Systems (2) ist und der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten magnetfelderzeugenden System als Prozessraum (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder das zweite magnetfelderzeugende System Flussleitelemente mit Nut- oder Zahnschrägungen (3a, 3b) über die gesamte Höhe/Länge der magnetfelderzeugenden Systeme (1, 2) aufweisen, in welche mehrsträngige, mehrpolige, geschrägte Spulenwicklungen (4a, 4b), die als verteilte Ein- oder Mehrschichtwicklungen mit einer Lochzahl gleich 1 ausgeführt sind, integriert sind.
2. Vorrichtung zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder, umfassend ein erstes zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (1) und ein dazu konzentrisch angeordnetes zweites zylinderförmiges magnetfelderzeugendes System (2), wobei der Innendurchmesser D_a des ersten magnetfelderzeugenden Systems (1) größer als der Außendurchmesser D_i des zweiten magnetfelderzeugenden Systems (2) ist und der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten magnetfelderzeugenden System als Prozessraum (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder das zweite magnetfelderzeugende System Flussleitelemente mit Nut- oder Zahnschrägungen (3a, 3b) über die gesamte Höhe/Länge der magnetfelderzeugenden Systeme (1, 2) aufweisen, in welche mehrsträngige, mehrpolige, geschrägte Spulenwicklungen (4a, 4b), die als konzentrierte ein- oder mehrschichtige Zahnspulenwicklungen ausgeführt sind, integriert sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut- oder Zahnschrägungen (3a, 3b) in den Flussleitelementen für eine Vorrichtung mit einer Leistung kleiner als 10kVA kleiner / gleich einer Nutteilung und für eine Vorrichtung mit einer Leistung größer als 10kVA kleiner / gleich einer Polteilung sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente aus genuteten Einzelblechen zur Aufnahme der Spulenwicklungen (4a, 4b) bestehen, die azimuthal versetzt zusammengefügt sind, wobei Nutschrägungen entsprechend Anspruch 3 entstehen.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente monolithisch und aus einem magnetisch hochpermeablen, gering elektrisch leitfähigen Kompositmaterial sind, die geschrägten Nuten (3a, 3b) zur Aufnahme der Spulenwicklungen aufweisen.
6. Verfahren zum Zerkleinern, Desagglomerieren, Dispergieren und Mischen von dispersen Stoffen und pumpfähigen Mehrphasengemischen mittels magnetischer Felder mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in den Prozessraum (6) ferromagnetische Mahlkörper eingebracht und die Spulenwicklungen (4a, 4b) des ersten und zweiten magnetfelderzeugenden Systems (1, 2) mit mehrsträngigen Speiseströmen (I_l, I_ll) beaufschlagt werden dadurch gekennzeichnet, dass im Prozessraum (6) ein dreidimensionales, sich zeitlich und örtlich änderndes Magnetfeld erzeugt wird, welches eine dreidimensionale Vektorgradientenverteilung mit einem an beiden Enden der magnetfelderzeugenden Systeme (1, 2) in das Prozessrauminnere gerichteten Effektivwert einer Richtungskomponente generiert, welche die im Prozessraum befindlichen ferromagnetischen Mahlkörper entgegen Schwer- und Schleppkräften im elektromagnetisch aktiven Bereich hält und eine elektromagnetisch determinierte dreidimensionale Bewegung der Mahlkörper und eine mechanische Beanspruchung der dispersen Stoffe und pumpfähigen Mehrphasengemische bewirkt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen (4a, 4b) mit einem an ihre Strangzahl (m) angepassten mehrphasigen Strom- oder Spannungssystem betrieben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Ströme oder Spannungen, mit denen die Spulenwicklungen (4a, 4b) betrieben werden, an die magnetische Polarisation und die Größe der Mahlkörper derart angepasst wird, dass die auf die Mahlkörper wirkenden Anziehungs- und Schwerkräfte überwunden und sie elektromagnetisch determiniert bewegt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Bestromung der Spulenwicklungen (4a, 4b) im Prozessraum (6) generierte magnetische Feldstärke kleiner als die Koerzitivfeldstärke der Mahlkörper ist.

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