DE2137982A1

DE2137982A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ent fernung von Gasen aus einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2137982A1
Application number: DE19712137982
Authority: DE
Inventors: der Anmelder P ist
Original assignee: NOLD W
Current assignee: NOLD W
Priority date: 1970-07-29
Filing date: 1971-07-29
Publication date: 1972-02-10
Also published as: CA966789A; DE2137982C2; US3676983A

Description

OR.-INQ. DIPL.-ING. M. SC. OIPL-PHVS, DR. DIPL.-PMVS.

HÖGER-STELLRECHT- GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Walter Edwin NoId

24 Birch Road,

Natick, Massachusetts 01760

U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Gasen aus einer Flüssigkeit -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Gasen aus einer Flüssigkeit; ein sol- ■ ches Verfahren und eine solche Vorrichtung machen es möglich, eine Flüssigkeit zu entgasen.

Es ist bekannt, Luft oder andere Gasärten aus Flüssigkeiten, "wie beispielsweise Wasser, dann zu entfernen, wenn die Konzentration des Gases in der Flüssigkeit reduziert werden muss. Beispielsweise ist es bei der Überprüfung hermetischer Dichtungen übliche Praxis, eine abgedichtete

Anordnung in Wasser unterzutauchen und dann zu beobachten, ob aus der Dichtung Luftblasen hervorsteigen oder nicht.

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Selbstverständlich ist es bei einem solchen Anwendungsfall ausserordentlich wünschenswert, dass irgendwelche in der Flüssigkeit befindliche Luft oder Gase vor Testbeginn entfernt werden, damit der zu beobachtende Effekt nicht auf diese Art maskiert bzw. verdeckt wird.

Üblicherweise wird die Entfernung der meisten in einer Flüssigkeit eingeschlossenen Gase dadurch durchgeführt, dass die Flüssigkeit in einem Vakuumkolben bzw. in eine Flasche eingeführt wird, wobei dann gleichzeitig die Flüssigkeit erhitzt und ein Vakuum errichtet wird. Ein solches Verfahren erlaubt es, die Konzentration der eingeschlossenen Gase auf die Grössenordnung von 3 bis 4 ppm ohne allzu grosse Schwierigkeiten zu reduzieren. Eine solche Reduzierung der Konzentration kann für viele Anwendungsfälle ausreichend sein, es ist jedoch manchmal notwendig, die Konzentration noch weiter abzusenken. Soll eine solche Absenkung mit den bekannten Vorrichtungen und aufgrund der bekannten Verfahren durchgeführt werden, dann ergibt sich die Notwendigkeit, den gesamten Zyklus nochmals bzw. öfters zu wiederholen und ein sehr hohes Vakuum zu verwenden. Aber selbst dann, wenn eine Konzentration auf 3 bis U ppm des eingeschlossenen Gases noch annehmbar ist, verursachte der Umstand, dass die Flüssigkeit erhitzt ist,normalerweise Schwierigkeiten, da es offensichtlich ist, dass vor Verwendung die entgaste Flüssigkeit zunächst abgekühlt werden muss. Diese Bedingung macht einen Wärmetauschervhotwendig oder eine sonstige Anordnung, mit der es möglich ist, das erwärmte Gas wieder abzukühlen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile dör bekannten Anordnungen zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Gasen aus

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einer Flüssigkeit anzugeben, bei welchem sehr geringe Gaskonzentrationen erreicht werden und bei welchem es nicht notwendig ist, die Flüssigkeit zu erhitzen*

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art und besteht darin, dass eine Vakuumkammer mit der zu behandelnden Flüssigkeit teilweise gefüllt und dass die Flüssigkeit gleichzeitig mechanisch bewegt (gerührt) und ein Teilvakuum über der freien Oberfläche aufrechterhalten wird.

Eine Vorrichtung zur Entfernung von Gasen aus einer Flüssigkeit zur Durchführung eines solchen Verfahrens besteht erfindungsgemäss darin, dass ein Vakuumkolben (10) zur Aufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit und Bewegungsanordnungen zur mechanischen Bewegung der Flüssigkeit zur Befreiung der in ihr'eingeschlossenen Gase vorgesehen sind und dass der Einlass einer Vakuumpumpe zur Entfernung der aus der .Flüssigkeit entfernten Gase mit dem Vakuumkolben verbunden ist«

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der UnteranSprüche oder können der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.

Anhand der Zeichnungen wird im folgenden das erfindungsgemässe Verfahren sowie Aufbau und Wirkungsweise einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt ·

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Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Entgasung einer Flüssigkeit,

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, während

Fig. 4 im. Querschnitt ein besonders zweckmässiges Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Herbeiführung einer Kavitation zeigt.

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In Fig. 1 wird gezeigt, dass die zu behandelnde Flüssigkeit (ohne Bezugszeichen) zusammen mit einer Anzahl von magnetisierbarer Stangen oder Teile 12 in einem Vakuumkolben 10 eingebrächt ist. Die öffnung des Vakuumkolbens 10 ist von einem Stopfen 14 verschlossen, durch welchen, wie dargestellt, eine Rohre 16 läuft. Die Röhre 16 ist mit einer Vakuumpumpe 18 verbunden. In der Nähe des Bodens des Vakuumkolbens ist ein C-förmiger Permanentmagnet 20 angeordnet, der in geeigneter Weise mit der Motorwelle 22 eines Motors 24 verbunden ist.

Bei Einschalten des Motors 24 wird der C-förmige Permanentmagnet 20 gedreht, wobei eine Kopplung des von ihm ausgehenden magnetischen Feldes durch den Boden des Vakuumkolbens 10 auf die magnetisierbaren Stangen 12 erfolgt. Diese werden dadurch veranlasst,- sich ebenfalls zu drehen und bewirken ein Umrühren und eine ständige Bewegung der im Inneren des Vaküumkolbens enthaltenen Flüssigkeit. Die Geschwindigkeit des Motors 24 kann innerhalb weiter Grenzen verändert werden; es hat sich dabei jedoch herausgestellt, dass eine Geschwindigkeit zwischen 1200 Umdrehungen pro Minute und 1800 Umdrehungen pro Minute beste Ergebnisse zeigt. Auf jeden Fall werden bei der ständigen heftigen Bewegung der FlUssigke.it die in ihr eingeschlossenen Gase befreit und von der Vakuumpumpe 18 durch die Röhre 16 entfernt. Die Vakuumpumpe 18 kann von beliebigem üblichen Aufbau sein; zufriedenstellende Resultate haben sich ergeben, wenn man die Röhre 16 als Venturi-Röhre verwendet, um ein Ansaugen zu erzeugen. Unter Verwendung einer solchen Anordnung ergab sich, daEps¹ axe Konzentration von in Wasser gelösten· Gasen auf annähernd 1,2 ppm (Teile pro Million) reduzieren lässt. In Fig. 2, in welcher der Fig. 1 entsprechende Elemente mit gleichem Bezugszeiehen versehen sind, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und unterscheidet sich in der Art von der Darstellung der Fig. 1, wie die Flüssigkeit bewegt wird.

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Bei dem Ausführungsbexspxel der Fig. 2 läuft die Rotorwelle des Motors 24 durch den Stopfen 14a. und ist mit Flügeln 26 verbunden. Bei Einschaltung des Motors 24 werden die Flügel in Drehung versetzt und bewegen so die Flüssigkeit. Bemerkt werden muss hierbei, dass es nicht notwendig ist, einer perfekten luftdichten Abdichtung zwischen der Rotorwelle 22 und dem Stopfen 14 erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken, da jede Luft, die durch das Lager hindurchdringen könnte, aufgrund der Wirkungsweise der Vakuumpumpe 18. sofort abgesaugt und entfernt wird.

In Fig. 3 sind wiederum die den Fig. 1 und 2 entsprechenden Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen; bei dieser Darstellung wird die Bewegung der Flüssigkeit auf noch eine andere Art durchgeführt. So ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. ein Ultraschallwandrer 28, beispielsweise ein piezoelektrischer Kristall auf irgendeine übliche und in der Zeichnung nicht dargestellten Weise in der Flüssigkeit im Inneren des Vakuumkolbens 10 aufgehängt. Über Drähte 32, die durch den Stopfen 14a laufen, ist eine Treiberstufe 30 für den Ultraschallwandler mit diesem verbunden. Wird die Treiberstufe 30 erregt, dann vibriert der Ultraschallwandler 28 und bewirkt eine Bewegung der Flüssigkeit» -

Schliesslich ist in Fig. 4 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Bewegung der zu entgasenden Flüssigkeit, wie dargestellt, durch Verwendung des Phänomens der Kavitation bzw. einer Gasblasenbildung erfolgt. Demgemäss ist in Fig. 4 ein abgedichteter Tank 41 vorgesehen, welcher den abgedichteten Vakuumkolben der weiter vorn dargestellten Ausführungsbeispiele entspricht. Der Boden des abgedichteten Tankes ist vorteilhafter Weise, wie dargestellt, ausgebildet, um ein Lager für den angetriebenen Teil einer magnetischen Kupplung 43 auszubilden, mit welcher in be-

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liebiger bekannter Weise ein Flügelrad 45 verbunden ist, das eine Anzahl von Flügeln aufweist. Der treibende Teil der magnetischen Kupplung 43 ist mit der Welle 47 eines Elektromotors 49 verbunden. Es ist offensichtlich, dass bei Erregung des Elektromotors 49 von einer Stromquelle die Magnetkupplung 4 2 insofern eine Wirkung entfaltet, als sie das Flügelrad 45 dreht, ohne dass es notwendig ist, eine Vakuumabdichtung für ein durch den Boden des abgedichteten Tanks 41 durchgeführtes Drehteil vorzusehen. Die zu entgasende Flüssigkeit wird dem abgedichteten Tank 41 durch eine Leitung 51 aus einem nicht dargestellten Vorrat zugeführt, wenn immer das Einlassventil 53 geöffnet ist. Hierbei muss noch bemerkt, werden, dass gemäss einer bevorzugten Ausführungsform die Formgebung der Leitung innerhalb des abgedichteten Tankes so ist, dass die zu entgasende Flüssigkeit direkt auf das Flügelrad 45 gerichtet wird. Weiterhin sind in beliebiger Weise noch innerhalb des abgedichteten Tankes 45 Abstandhalter, beispielsweise Stangen 55 und 55a vorgesehen - dabei ist eine der Stangen hohl und erstreckt sich durch den Boden des abgedichteten Tankes 45 hindurch, um einen Weg zur Bildung eines Vakuums mithilfe einer nicht dargestellten Vakuumpumpe innerhalb des Tankes 41 vorzusehen die Abstandshalterungen sind notwendig zur Lagerung eines Paars von Wirbelspoilern bzw. Stauklappen 57 und 59. Die Spoiler sind lediglich einfache Platten, wobei der Spoiler 5 7 aus massivem Material besteht und in der Nähe der oberen Oberfläche des Flügelrades 45 angeordnet ist; der Spoiler 59 weist eine durch ihn hindurch gehende öffnung auf. Die Position der Wirbelstauklappen bzw. Spoiler 57 und 59 innerhalb des abgedichteten Tanks 41 istnicht kritisch. Um das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zu vervollständigen, ist, wie dargestellt, eine Leitung 61 mit einem Auslassventil 63 vorgesehen, um, wenn gewünscht, eine Entnahme entgaster Flüssigkeit aus dem abgedichteten Tank zu erlauben.

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Beim Betrieb wird ein Teilvakuum (beispielsweise ein Quecksilbervakuum von 28" bis 29,5" (Zoll) bzw. von 710 bis 750 Torr) in dem abgedichteten Tank Ul errichtet, bevor irgendwelche zu entgasende Flüssigkeit eingelassen wird. Der Elektromotor 49 wird angelassen, um das Flügelrad 45, wie weiter vorn schon beschrieben, in Umdrehung zu versetzen. Falls die Leitung 51 so gebogen ist, dass die zu entgasende Flüssigkeit auf das Flügelrad gerichtet ist, dann wird die Flüssigkeit anfänglich in Tröpfchen zerbrochen, wodurch sich das dem Teilvakuum ausgesetzte Oberflächengebxet dieser Flüssigkeit vergrössert. Eine solche Vergrösserung erlaubt wiederum eine sehr schnelle Entfernung jeglicher Gase, die in der Flüssigkeit eingeschlossen sind. Sobald dann die Höhe der Flüssigkeit im Inneren des abgedichteten Tanks 41 über die Höhe des Flügelrades 4 5 ansteigt, beginnt die Kavitation in der Flüssigkeit. Sowie sich dieses Phänomen ausbildet, kann sich der die Flüg-el des Flügelrades 45 unmittelbar umgebende Raum nicht mit der^K zu entgasenden Flüssigkeit anfüllen. Im Gegensatz dazu· existiert nämlich in einem solchen Raum ein Teilvakuum und die ''■-darin eingeführte zu entgasende Flüssigkeit wird heftigst -*■■ bewegt und in einem feinen Sprühnebel zerbrochen und aufgeteilt. Es ist offensichtlich, dass die Oberfläche solcher ^Y? Tropfen in dem Sprühnebel wesentlich grosser als die Oberfläche der aus der Leitung 51 austretenden Flüssigkeit ist, so dass die in dem Sprühnebel eingeschlossenen Gase sehr schnell indas Teilvakuum in dem Raum gesaugt und entfernt werden» in ^J welchem die Kavitation bzw. Blasenbildung auftritt. Die auf³' diese Weise zur Entgasung gebrachte Luft läuft dann um den " unteren Wirbelspoiler 57, wie in Zeichnung 4 dargestellt, als eine Folge von Luftblasen herum, gelangt nach oben durch di^Je in dem-abgedichteten Tank 51 befindliche Flüssigkeit und sammelt sich unter der oberen Stauklappe 59. Das sich unter dieser Stauklappe bzw. Spoiler befindliche Gas steigt dann

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durch die darin befindliche öffnung nach' "op'eti durch doe^ Oberfläche der Flüssigkeit und in den teilevakuierten Raum oberhalb der Flüssigkeit. Das auf diese Weise entspannte Gas wird dann durch die Abstandsstange 5 5 aus dem abgedichteten Tank 41 abgeführt. Verwendet man einen abgedichteten Tank mit einer Kapazität von etwa einer Gallone, dann ist es möglich, in Wasser eingeschlossene, d. h. gelöste Gase mit einer Geschwindigkeit von vier Gallonen pro Stunde zu entfernen. Das bedeutet, dass die in dem Wasser gelöste Gaskonzentration von etwa 10 ppm auf 0,2 ppm reduziert.werden kann.

Es ist leicht zu erkennen, dass bei Fehlen der Stauklappen bzw. der Wirbelspoiler 57 und 59 die Bewegung des Flügelrades 45 einen Wirbel in der Flüssigkeit ausbilden würde, in der gleichen Art, wie das bei den weiter vorn dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist. Bin solcher Wirbel würde bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung keinem sinnvollen Zweck dienen, sondern würde, falls überhaupt, den Anteil der in einem abgedichteten Tank gegebener Grosse zu behandelnden Flüssigkeit lediglich verringern.

Weiterhin muss darauf hingewiesen werden, dass das in einer Flüssigkeit auftretende Phänomen der Kavitation anstelle des in Fig. 4 dargestellten Flügelrades 45 auch durch das Induzieren von Schallwellen hervorgerufen werden kann. Das bedeutet, dass das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines geeigneten Uitraschallwandlers in im wesentlichen der gleichen Art, wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 betrieben werden kann, so dass auf diese Weise der Vorteil der Kavitation genutzt werden kann.

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Aufgrund der im Grunde einfachen Ausführungsbeispiele dürfte auch das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren ausreichend erläutert sein, welches darin besteht, dass eine zu entgasende Flüssigkeit in eine Vakuumkammer eingeführt wird, dass diese Flüssigkeit gleichzeitig mechanisch gerührt und bewegt wird und von der freien Oberfläche der Flüssigkeit ein Vakuum abgezogen wird, d. h. dass oberhalb dieser Flüssigkeit ein Vakuum erzeugt wird. Darüberhinaus liegt es innerhalb des erfindungsgemässen Rahmens, Einlass- und Auslassöffnungen sowie Ventile vorzusehen in der Art, dass zumindest ein halbkontinuierlicher Prozess durchgeführt werden kann. Auch ist das erfindungsgemäss beschriebene Verfahren sowie die dargestellten Ausführungsbeispiele geeignet, jede beliebige Flüssigkeit von jedem beliebigem Gas zu befreien.

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Patentanspruch

!.Verfahren zur Entfernung von"

dadurch gekennzeichnet, dass eine Vakuumkammer mit der zu behandelnden Flüssigkeit teilweise gefüllt und die Flüssigkeit gleichzeitig mechanisch bewegt (gerührt) und ein Teilvakuum über der freien Oberfläche aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bewegung der Flüssigkeit soweit durchgeführt wird, bis Kavitation auftritt.'
3. Vorrichtung zur Entfernung von Gasen aus einer Flüssigkeit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuumkolben (10)'zur Aufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit und Bewegungsanordnungen (12, 26, 28, 45) zur mechanischen Bewegung der Flüssigkeit zur Befreiung der in ihr eingeschlossenen Gase vorgesehen sind und dass der Einlass einer Vakuumpumpe zur Entfernung der aus der Flüssigkeit entfernten Gase mit dem Vakuumkolben (10, 41) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsanordnungen aus einer Vielzahl magnetisierbarer Stäbe (1-2) im Inneren des Vakuumkolbens (10) und aus einem ausserhalb des Vakuumkolbens angeordneten Permanentmagneten (20) bestehen, dessen äusseres Feld mit jedem der magnetisierbarer! Stangen (12) gekoppelt, ist und dass Anordnungen (24) zur Drehung des Permanentmagneten (12) vorgesehen sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsanordnungen aus mindestens einem drehbar in dem Vakuumkolben 10 angeordneten und mindestens teilweise in der zu behandelnden Flüssigkeit versenktem Flügel (26) bestehen, dass ausserhalb des Vakuumkolbens (10) ein Motor (24) vorgesehen ist und dass die Rotorwelle (12) zum Antrieb des Flügels (26) mit diesem verbunden ist.
W^: 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsanordnungen einen im Inneren des Vakuumkolbens (10) angeordneten und mindestens teilweise in der zu behandelnden Flüssigkeit untergetauchten Ultraschallwandler (28) umfassen mit Mitteln (Treiberstufe 30) zur Erregung 'des Wandlers.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3-6 zur Durchführung des Verfahrens nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuumkolben (Tank 41) zur Aufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit und Anordnungen (Leitungen 51) zur Einleitung der Flüssigkeit in den Vakuumkolben vorgesehen sind, dass zur Entfernung von aus der Flüssigkeit befreiter Gase der Einlass einer Vakuumpumpe mit dem Vakuumkolben (41) verbunden ist, Bewegungsanordnungen (Flügelrad 45) zur Bewegung der Flüssigkeit zur Induzierung einer Kavitation vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der zu behandelnden Flüssigkeit mindestens eine zusätzliche Platte (57, 59) angeordnet ist, derart, dass die Bildung eines Wirbels in der Flüssigkeit verhindert wird.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung der zu behandelnden Flüssigkeit in den Tank (Hl) eine durch die Tankwand laufende Leitung (51) vorgesehen ist, deren Ende in der Nähe der Bewegungsanordnungen (Flügelrad 45) angeordnet ist, derart, dass die eingeführte Flüssigkeit auf das Flügelrad (45) gerichtet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bodenbereich des Tanks (41) so ausgebildet ist, dass durch Anordnung einer magnetischen ä Kupplung (43) eine Bewegung des Flügelrades (45) ohne die Notwendigkeit einer vakuumsicheren Durchführung durch die Tankwand (41) möglich ist.

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