DE2459355C2

DE2459355C2 - Stationäre Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE2459355C2
Application number: DE2459355A
Authority: DE
Inventors: Leonard Tony Long Beach Calif. King
Original assignee: KOMAX SYSTEMS Inc LONG BEACH CALIF US
Current assignee: KOMAX SYSTEMS Inc LONG BEACH CALIF US
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1974-12-16
Publication date: 1985-01-24
Also published as: GB1482689A; JPS5097957A; US3923288A; DE2459355A1; FR2255944A1; FR2255944B1; JPS5421987B2; CA1019719A

Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Mischvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Mischvorrichtung ist bekannt (US-PS 51 453). Bei dieser bekannten Mischvorrichtung besteht jede Mischstufe aus zwei Elementen, die zur Vereinfachung der Herstellung identisch sein können. Weiterhin überlappen bei dieser bekannten Mischvorrichtung die schräg zur Flußrichtung liegenden Flußleitflächen eines Bauteilt jeweils die parallel zur Flußrichtung liegenden Flußleitflächen eines anderen Bauteils.

Der mit der bekannten Mischvorrichtung erzielbare Mischeffekt läßt sehr zu wünschen übrig, so daß eine sehr große Stufenzahl und damit eine praktisch nicht vertretbare Baulänge erforderlich waren, um einen zufriedenstellenden Mischeffekt zu erzielen. Eine große Stufenzahl und entsprechende große Baulänge bringen aber einen erheblichen Strömungswiderstand mit sich, der in vielen Fällen praktisch nicht vertretbar ist.

Es sind deshalb eine Vielzahl von stationären Mischvorrichtungen bekannt geworden, die konstruktiv mehr oder weniger abweichend aufgebaut waren, im Endeffekt aber den gleichen Nachteilen ausgesetzt waren. Es wird dazu nur beispielsweise hingewiesen auf die US-Patentschriften 36 43 927, 36 52 061, 37 04 006 und 51 009.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine stationäre Mischvorrichtung verfügbar zu machen, die bei kleiner Stufenzahl und dementsprechend geringem Strömungswiderstand und damit Druckabfall mit Sicherheit einen für die Praxis ausreichenden Mischeffekt mit sich bringt. Ausgehend von einer stationären Mischvorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch Einführung der Merkmale des Kennzeichenteils des Anspruchs gelöst

Gegenüber der eingangs genannten bekannten Mischvorrichtung, bei der ein möglichst turbulenzfreier Strom angestrebt wird, wird erfindungsgemäß gerade eine wirkungsvolle Turbulenz angestrebt und es wird ίο erfindungsgemäß genügend Raum zur Verfügung gestellt, damit sich einerseits diese Turbulenz gut ausbilden kann, um den gewünschten Mischeffekt herbeizuführen, und andererseits trotz der Turbulenz der Gesamtströmungswiderstand gering gehalten wird. Überraschenderweise wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Mischvorrichtung ein hervorragendes Mischergebnis erzielt während eine Mischvorrichtung bekannter Bauart unter sonst gleichen Verhältnissen ein für die Praxis unzureichendes Mischergebnis liefert.
Während ferner bei der bekannten Mischvorrichtung nur auf einer Seite der parallel zur Flußrichtung liegenden Flußlettfläche schräg zur Flußrichtung Hegende Flußleitflächen vorhanden zu sein brauchen, nirnlich dann, wenn kein turbulenter Fluß zu befürchten ist, also jeweils ein Paar schräg liegender Leitflächen jeweils zur Glättung des Materialflusses benötigt wird, ergibt sich überraschenderweise bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Verstärkung der Turbulenz dank des erfindungsgemäß geschaffenen Raumes, in dem sich die Turbulenz ungestört ausbilden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Mischen praktisch beliebiger Materialien verwendet werden, einschließlich Flüssigkeiten, Festkörper. Gase. Schäume usw.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer stationären Materialmischvorrichtung nach der Erfindung;

Fig.2 eine perspektivische Ansicht eines willkürlich mit »links« bezeichneten Elementes, das einen Teil der Vorrichtung bildet;

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines willkürlich mit »rechts« bezeichneten Elementes, das einen Teil der Vorrichtung bildet;

F i g. 4 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach Fig.1;

Fig.5 eine Seitenansicht des »linken« Elementes nach F i g. 2;

so Fig.6 eine Aufsicht auf ein »linkes« Element nach Fig. 2;

F i g. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in F i g. 5:
Fig.8 eine Seitenansicht des »rechten« Elementes nach F i g. 3;

F i g. 9 eine Stirnansicht des »rechten« Elementes nach F i g. 3;

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie 10-IO in F ig, 8; Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie 11-11 in Fig. 4: Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 in Fig. II: Fig. 13 einen schematischen Schnitt durch einen T-Verteilerkopf, mit dem Material der stationären Materialmischvorrichtung nach der Erfindung zugeführt wird: Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Verteilerkopfs nach Fig. 13 mit der Lage des Materials. ehe dieses die Mischvorrichtung erreicht;

Fig. 15 einen schematischen Schnitt durch einen koaxialen Verteilerkopf, mit dem Material der stationären Maicrialmischvorrichtung nach der Erfindung /uge-

führt wird; und

F i g. 16 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Verteilerkopfs nach Fig. 15 mit der Anordnung des Materials vor Erreichen der Mischvorrichtung.

Die stationäre Materiaimischvorrichtung nach der Erfindung sowie deren Bauteile sind in Fig. 1 bis 12 dargestellt Die Vorrichtung besteht aus einer Leitung 2 mit einer Innenkammer 4, in die eine Vielzahl Elemente 6 und 8 eingepaßt sind. Die Kammer 4 ist an den beiden Enden der Leitung 2 offen. Durch die Länge der Kammer 4 verläuft eine Längsachse.

Im Hinblick auf die allgemeine Zylinderform der Kammer 4 soll das zylindrische Koordinatensystem in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden. Bekanntlich wird im zylindrischen Koordinatensy-B stern ein Punkt durch I r und θ definiert, wobei / die B Längskoordinate ist r die Radialkoordinate mit Bezug p auf die Längsachse und θ die Winkelkoordinate in einer H Ebene normal zur Längsachse.

;· Die Erfindung wird zwar mit Bezug auf eine ruehte,

&5 kreisförmige Zylinderkammer 4 dargestellt und be-ΐβ schrieben, es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Er- ;ϊί findung auch auf andere Formen anwendbar ist einif schließlich Kammern mit rechteckigem Querschnitt Ψ- Darüber hinaus braucht die Längsachse der Kammer % keine gerade Linie zu sein, sondern kann auch aufgrund >:* der Art der Elemente 6 und 8 gekrümmt sein, wie sich noch aus der folgenden Beschreibung ergibt

Das Element, das näher in F i g. 2 und 5 bis 7 dargestellt ist, wird willkürlich als »linkes« Element bezeichnet und ist ein Spiegelbild des Elementes 8, das näher in Fig.3 und 8 bis 10 dargestellt ist und willkürlich mit »rechtes« Element bezeichnet wird.

Das Element 6 weist einen zentralen flachen Teil 10 auf. dessen Ebene allgemein mit der Längsachse der Kammer 4 ausgefluchtet sein soll. Zwei Lappen 12 und 14. die abgerundet oder in anderer Weise an ihren äußeren Peripherien so geformt sind, daß sie allgemein an die Wand der Kammer 4 passen, sind vom flachen Teil 10 nach oben und unten gebogen. Zwei weitere Lappen 16 und 18 am anderen Ende des flachen Teils 10 sind nach unten bzw. oben gebogen. Die äußeren peripheren Kanten der Lappen 16 und 18 sind ebenfalls abgerundet oder in anderer Weise so geformt, daß sie allgemein an die Wand der Kammer 4 passen.

Die Elemente 6 und 8 können aus einem einzelnen flachen Blech geformt werden, beispielsweise mit einer Stanzpresse. Die Erfindung ist jedoch nicht auf irgendeine spezielle Herstellungsart beschränkt, auch ist sie nicht darauf beschränkt, daß die Elemente 6 und 8 einheitliche Stücke sind. Beispielsweise können die Elemente 6 und 8 jeweils aus einer Vielzahl von Teilen bestehen, die zusammengelötet, hartgelötet, geschweißt oder in anderer Weise aneinander befestigt sind. Ersichtlich ermöglicht jedoch die Form der Elemente 6 und 8, daß sie aus cinzelblechen auf außerordentlich billige Weise hergestellt werden können.

Das Element 8 ist ein Spiegelbild des Elementes 6 und weist in ähnlicher Weise einen mittleren flachen Teil 20, zwei Lappen 22 und 24 und zwei weitere Lappen 26 und 28 auf.

Der Winkel λ zwischen den Lappen 12—14, 16—18, 22—24 und 26—28. der am besten in Fig. 5 und 8 erkennbar ist. liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30° bis 120°, wobei als ein 'teispiel ein Winkel von 90° dargestellt ist. Ersichtlich bilden die Extreme 0° und 180° die äußersten G^renzen.

Die Elemente 6 und f v/echseln in der Kammer 4 ab.

wobei die Gesamtzahl der verwendeten Elemente von den Materialien abhängt die gemischt werden sollen, und dem gewünschten Vermischungsgrad. Jedes folgende Element 6,8 ist mit seinem flachen Mittelteil 10,20 im allgemeinen rechtwinkelig zum nächsten Element angeordnet

In Fig. 1, 4. 11 und 12 ist die Art und Weise dargestellt, in der die Elemente 6 und 8 sich leicht gegenseitig verblocken und ineinanderschachteln, sowohl mit Bezug aufeinander als auch mit Bezug auf die Wand der Kammer 4. Die Lappen 22 und 24 des Elementes 8 »kämmen« mit den Lappen 16 und 18 des Elementes 6, so daß sich die Lappenspitzen in der Nachbarschaft der Wand der Kammer 4 und dem mittleren flachen Teil des nächsten Elementes befinden. In gleicher Weise »kämmen« die Lappen 12 und 14 des Elementes 6 mit den Lappen 26 und 28 des Elementes 8. Die Lappen 12,14,16,18,22, 24, 26, 28 sind vorzugsweise so diT>.=nsioniert daß sie gegen die Wand der Kammer 4 »tc-jem«, so daß eine gute Anpassung an die Wand der Kammer 4 erreicht wird, ohne daß jedes Element 6 und 8 an die Wand der Kammer 4 angelötet angeleimt oder in anderer Weise permanent befestigt werden muß. Aus der Form der Elemente 6 und 8 ist ersichtlich, daß die Elemente in die Kammer 4 »gestopft« werden können, und daß sie dazu neigen, sich selbst in der gewünschten Orientierung auszurichten, wobei jedes Element sich mit dem nächsten Element selbst verschachtelt oder stapert und gegen axiale Drehung verblockt

Weiter ist ersichtlich, daß das selbständige Ineinanderschachteln oder Stapeln der Elemente eine Herabsetzung des Verhältnisses Länge/Durchmesser (UD) der Elemente ergibt. Als Beispiel seien die folgenden Abmessungsbeispiele und UD-Verhältnisse betrachtet:

Winkel Gesamtlänge Nettolänge Nenn- UD

(Λ des des durch

Elementes Elementes messer

0,60
0,90

038
0,71

0,44
0,44

0,86 1,60

Für gewisse Lappenwinkel λ ist also ein effektives Verhältnis UD kleiner als 1 möglich.

Wie in Fig.2 veranschaulicht ist, wird auf Materialien, die sich längs in Richtung der Längsachse 1 bewegen, durch die Lappen 16 und 18 des Elementes 6 ein Geschwindigkeitsvektor gegen den Uhrzeigersinn aufgedrückt. Im Anschluß an den flachen Teil 10 bewirken die Lappen 12 und 14 einen weiteren Geschwindigkeiiivektor gegen den Uhrzeigersinn. Ersichtlich sorgen die Lappen 16 und 18 auch für einen erheblichen einwärts gerichteten radialen Geschwindigkeitsvekor auf sich in Längsrichtung bewegende Materialien, während die Lappen 12 und 14 einen im wesentlichen auswärts gerichteten radialen Geschwindigkeitsvektor mit sich bringen. In ähnlicl jr Weise erzwingen gemäß F i g. 3 die Lappen 26—28 und 22—24 Rotationsgeschwindigkeitsvektoren im Uhrzeigersinn und allgemein einwärts bzw. auswärts gerichtete radiale Vektoren.

Wenn zwei Elemente 6 und 8 ineinandergeschachtelt sind, wie in Fi g. 1, 4, 11 und 12, definieren die ineinandergreifenden Teile der Elemente, wo die Lappen ineinandergreifen, einen Bereich der als »Mischmatrix«-Zone bezeichnet werden kann, wo in dem sich in Längsrichtung bewegenden Material entgegengesetzt rotierende Geschwindigkeitsvektoren induziert werden, gleichzeitig mit einwärts und auswärts gerichteten ra-

dialen Vektoren. Diese komplexen, einander entgegengesetzten Winkel- und Radial-Vektoren ergeben gegenseitige Schereffekte, die dafür sorgen, daß sich die Materialien mischen und im Anschluß an die Mischmatrix, wenn die Materialien kurz am flachen Zentralbereich 10,20 des Elementes 6 oder 8 vorbeiströmen, in anderer Konfiguration rekombinieren. Es wurde festgestellt, daß dieser flache Zentralbereich 10,20 beträchtlich zum wirkungsvollen Betrieb der Erfindung beiträgt. Die longitudinal Länge der flachen Bereiche 10,20 ist vorzugswei- to se lang genug, um eine relativ vollständige Mischung der Materialien im Anschluß an die Mischmatrix zu erlauben, jedoch nicht so lang, daß der Druckabfall der Vorrichtung merklich beeinflußt wird. Für jede spezielle Anwendung muß die Länge des flachen Bereiches im Hinblick auf den Druckabfall betrachtet werden. In jedem Falle ist die Länge des flachen Bereiches ein erheblicher Teil der Bruttolänge jedes Elementes, wobei die gewünschte Länge weiter durch den Lappenwinkel λ beeinflußt wird. Die Länge des flachen Bereiches 10,20 soll typischerweise wenigstens in der gleichen Größenordnung liegen wie die Länge der Mischmatrixzone.

Obwohl gemäß einem Aspekt die Erfindung nicht auf die Verwendung mit einem speziellen Antrieb für die zu mischenden Materialien beschränkt ist, so bildet doch eine Kombination eines Verteilerkopfes mit einer stationären Materia.,nischvorrichtung nach Fig. 1 bis 12 einen weiteren Aspekt der Erfindung. Eine Betrachtung des Verteilerkopfes erlaubt auch eine weitere Erläuterung der Vorrichtung nach F i g. 1 bis 12. Die Ausgänge des Verteilerkopfes sind selbstverständlich mit dem Eingang der Mischvorrichtung gekuppelt.

Fig. !3 zeigt ein T-Stück oder eine Verteilung, mit der zwei fviateriaiqueiien durch eine einzige Leitung getrieben werden können. Eine Antriebsquelle, die als Hand 40 dargestellt ist, treibt gleichzeitig zwei Kolben 42 und 44 über eine U-förmige Stange 46. Das Material A in Kammer 48 und das Material B in Kammer 50 werden auf diese Weise durch die Kolben durch ein T-Stück 52 in eine Leitung 54 getrieben. Selbstverständlieh kann die Antriebsquelle 40 auch mechanisch sein statt manuell, wie dargestellt.

Eine perspektivische Ansicht der Leitung 54 in Fig. M zeigt die Art und Weise, in der die Materialien A und B sich anfänglich in der Leitung lokalisieren. In bezug auf die «/«-Richtung oder Longitudinalachse der Leitung 54 ist das Material »perfekt« gemischt In der Ebene normal zur /-Achse befinden sich gleiche Mengen der Materialien A und £(wenn identische Kolben 42,44 und Kammern 48,50 vorausgesetzt werden). Das heißt, wenn eine Volumeneinheit eines Materials perfekt mit einer Volumeneinheit eines anderen Materials gemischt wird, dann ist die Wahrscheinlichkeit dafür, ein Molekül des einen oder anderen Materials im gemischten Volumen zu finden, proportional dem anfänglichen VoIumenverhäitnis. Anders betrachtet, alle »Information« ist aus dem System entfernt, d. h. man kann aus geometrischen Betrachtungen allein nicht bestimmen, ob an irgendeinem willkürlichen Punkt das eine oder andere Material anzutreffen ist. Die Materialien A und B, wie sie in der Leitung 54 dargestellt sind, sind jedoch in r- und ^-Richtung nicht »perfekt gemischt«.

Fig. 15 zeigt einen koaxialen Verteilerkopf. Die Antriebsquellen für die Materialien A und B sind nicht dargestellt, können jedoch irgendeine geeignete Form μ haben. Das Material B iritt in eine Leitung 60 ein, die durch eine Kammer 62 verläuft, die sich zu einer koaxialen Leitung 64 um die Leitung 60 verengt. Die Kammer 62 nimmt Material A durch eine Eingangsleitung 66 auf. Fig. 16 zeigt die Verteilung der Materialien A und B in den koaxialen Leitungen 60 und 64. Ersichtlich sind die Materialien jetzt »perfekt gemischt«, d. h. sie enthalten in /- und β-Richtung keine Information, so daß nur die /•-Richtung verbleibt.

Zusätzlich dazu, daß er^die Information der angelieferten Materialien reduziert, hat ein koaxialer Verteilerkopf einen weiteren Vorteil, wenn er mit der stationären Materialmischvorrichtung nach Fig. 1 bis 12 zusammen verwendet wird. Wenn die Koaxialleitung koplanar endet oder das Mittelrohr mit Bezug auf das andere Rohr vorsteht, erfordert der Verteilerkopf wenig oder gar keine Säuberung, da die Materialien nur in der stationären Materialmischvorrichtung in Kontakt kommen. Das ist besonders wichtig, wenn es sich bei den Materialien A und flum reagible Materialien handelt, wie beispielsweise Epoxyharze. Wenn eine billige Mischvorrichtung hergestellt wird, kann die Mischvorrichtung selbst als Wegwerfeinheit ausgebildet werden, während der Verteilerkopf unbegrenzt verwendet werden kann. Nach dem Mischen der Materialien kann beispielsweise die Vorrichtung nach F i g. 1 bis 12 vom Verteilerkopf abgekuppelt werden und der Verteilerkopf einfach mit einer Kappe erschlossen werden, beispielsweise einem billigen Bauteil aus Gummi oder Kunststoff.

Der Koaxialverteilerkopf ka.m selbstverständlich mehrfache Leitungen haben, wie triaxial ausgebildet sein usw.

Wenn die stationäre Materialmischvorrichtung nach Fi g. 1 bis 12 allgemein betrachtet wird, ist zu erkennen, daß die Erfindung zum Mischen aller Materialtypen geeignet ist, einschließlich Flüssigkeiten, Festkörper. Gase. Schäume usw. Die verwendete Anzsh! von Elementen 6 und 8 kann variiert werden, je nach dem erforderlichen Mischgrad und dem Typ des zu mischenden Materials. Da die Elemente 6 und 8 nicht permanent aneinander oder an der Wand der Kammer 4 befestigt sind, kann die Leitung 2 aus flexiblem Material bestehen, so daß die Vorrichtung verschiedene Kurvenformen annehmen kann, wie das in speziellen Anwendungsfällen erforderlich sein kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Stationäre Mischvorrichtung, mit einer an beiden Enden offenen Kammer, mit einer Anzahl darin in Bußrichtung hintereinander angeordneter Mischstufenelemente, wobei jedes Mischstufenelement eine parallel zur Flußrichtung liegende Flußleitfläche aufweist, an der einerseits ein Paar aus einer ersten und einer zweiten und andererseits ein Paar aus einer dritten und einer vierten schräg zur Flußrichtung liegenden Flußleitfläche angebracht sind, wobei die erste und zweite FluBleitfläche einerseits und die dritte und vierte Flußleitfläche andererseits einen gleichen Winkel miteinander bilden, wobei der Winke! von parallel zur Flußrichtung liegenden Flußleitflächen rweiei- direkt aufeinanderfolgender Mischstufenelemente etwa 90° beträgt, wobei sich die Mischstufenelemer.*? überlappen, wobei die Peripherie der schräg zur Flußrichtung liegenden Flußleitflächen der Form der Kammer angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die schräg zur Flußrichtung liegenden .Flußleitflächen (12, 14; 22,24) jedes Mischstufeneiementes mit den entsprechenden Rußleitflächen (26,28; 16,18) eines in Flußrichtung vorangehenden bzw. nachfolgenden Mischstufenelementes in Flußrichtung Oberlappen, daß der Winkei zwischen den schrägen Flußleitflächen jedes Paares zwischen etwa "X)" und 120° liegt, daß die parallel zur Flußriohtung liegenden Flußleitflächen (10, 20) jedes Mischstuf-aelementes überlappungsfrei sind, und daß die erste (12; 22) und die vierte (16; 26) Flußleitfläche einerseits sowie die zweite (14; 24) und die dritte (18; 28) Flußleitfläche andererseits in der gleichen Richtung verlaufen.