DE2649602A1

DE2649602A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermischen von mindestens zwei fluiden bestandteilen

Info

Publication number: DE2649602A1
Application number: DE19762649602
Authority: DE
Inventors: Frederick H Anderson; Salvatore C Malguarnera; Nam P Suh
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1975-11-05
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-05-12
Also published as: US4019652A; CA1064472A; GB1515609A; JPS5258162A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei fluiden Bestandteilen und insbesondere von fluiden-Kunststoffen/ die in flüssiger oder
fluider Form einer Spritzgußvorrichtung zugeführt und dort
verwendet werden.

Bei Mischsystemen für Fluide, insbesondere Mischsystemen, in
denen Kunststoffmaterialien vermischt und in flüssiger Form
in eine Spritzgußvorrichtung eingeführt werden, ist es häufig erwünscht, daß innerhalb einer relativ kurzen Zeitdauer große Mengen des vermischten Kunststoffs der Form zugeführt werden.

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*\q. 2643602

So ist beispielsweise eine übliche typische Vorrichtung in der Lage, 4,59 bis 5,44 kg (10 - 12 lbs.) einer Mischung aus flüssigen Kunststoffen im Verlaufe von 4 bis 5 Sekunden in die Form einzuführen. Solche Vorrichtungen sind relativ groß, kostspielig in der Herstellung und bezüglich ihrer Einspritzkapazität beschränkt, d. h. ihrer Fähigkeit, mehr als 4,59 bis 5,44 kg (10 - 12 lbs.) des flüssigen Kunststoffs im Verlaufe einer relativ kurzen Zeitdauer in die Form zu überführen. Bei vielen Anwendungszwecken ist es jedoch erwünscht, daß man über eine Vorrichtung mit einer Zuführungskapazität von. mehr als 4,59 bis 5,44 kg (10 - 12 lbs.) verfügt, wobei diese Gesamtmenge in wesentlich kürzerer Zeit mit höherer Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden kann. Weiterhin wäre es von Vorteil, die Herstellungskosten und die Größe der Vorrichtung, die größere Mengen vermischter fluider Kunststoffe mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zuführen kann, zu vermindern, im Vergleich zu den derzeit zur Verfügung stehenden Vorrichtungen, so daß letztendlich geringere Investitionskosten erforderlich werden. Die Vorrichtung sollte ferner in der Lage sein, mit geringeren Schwierigkeiten installiert und betrieben und mit größerer Verläßlichkeit angewandt zu werden als die herkömmlichen Vorrichtungen. Weiterhin sollte die Vorrichtung dazu geeignet sein, die verschiedenartigsten Fluide mit einer großen Viskositätsspanne zu verarbeiten. Weiterhin sollte die Vorrichtung derart gesteuert werden können, daß in bequemer Weise variable Ausströmungsgeschwindigkeiten erzielt werden können.

Weiterhin sind die derzeit zur Verfügung stehenden Vorrichtungen normalerweise derart ausgelegt, daß sie ein bestimmtes Spritzvolumen bzw. Schußgewicht bzw. eine bestimmte Zuführungsmenge ergeben, das bzw. die nicht ohne weiteres verändert werden können, so daß sich verschiedenartige Spritzvolumina bzw. Schußgewichte bzw. Zuführungsmengen ergeben. Somit können Vorrichtungen mit großen Spritzvolumina oder Schußgewichten nicht ohne weiteres derart umgestellt werden, daß sie kleinere Spritzvolumina oder Schußgewichte ergeben, und umgekehrt, so daß für verschiedenartige Anwendungszwecke verschiedenartige Vorrich-

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tungen eingesetzt werden müssen, ein Faktor, der die gesamten Betriebskosten einer Anlage erhöht, die dazu verwendet werden soll, verschiedenartige Gegenstände herzustellen, die unterschiedliche Spritzvolumina bzw. Schußgewichte benötigen. Demzufolge sind Vorrichtungen erwünscht, deren Schußgewicht bzw. Spritζvolumen innerhalb eines angemessenen Bereiches verändert werden kann.

Insgesamt gesehen sind die herkömmlichen Vorrichtungen, insbesondere jene, die relativ hohe Schußgewichte bzw. Spritzvolumina ermöglichen, nicht dazu geeignet, die obigen Anforderungen vollständig zu erfüllen, wobei die Vorrichtungen besonders kostspielig sind nicht nur wegen der großen anfänglichen Installationskosten, sondern auch wegen der hohen Betriebskosten, die eine Folge der starken Energieanforderungen der Vorrichtung sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, Systeme zur Zuführung und zum Vermischen von Fluiden zu schaffen, die mit relativ geringen Kosten hergestellt und installiert werden können und nur einen geringen Energiebedarf während des Betriebes aufweisen. Das System sollte ferner gute Mischeigenschaften mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten vereinen und große Schußgewichte bzw. Spritzvolumina ermöglichen und während des Betriebes innerhalb eines breiten Bereiches von Strömungsgeschwindigkeiten und Schußgewichten bzw. Spritzvolumina eingestellt werden können und für fluide Materialien geeignet sein, die einen relativ breiten Bereich von Viskositäten aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Vermischen von mindestens zwei fluiden Bestandteilen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man endliche Volumen von mindestens zwei verschiedenen fluiden Bestandteilen, die aus entsprechenden Vorratsbehältern zugeführt werden, unter einem vorherbestimmten Druck lagert;

die mindestens zwei gelagerten fluiden Bestandteile im Verlaufe einer vorgewählten Zeitdauer im wesentlichen gleichzeitig einer Mischeinrich-

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tung zuführt; und

die fluiden Bestandteile in der Mischeinrichtung zu einer Mischung vermischt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei fluiden Bestandteilen, die gekennzeichnet ist durch

mindestens zwei Vorratsbehälter bzw. Quellen für mindestens zwei verschiedene fluide Bestandteile bzw. Komponenten; mindestens zwei Zwischenspeicher bzw. Speichereinrichtungen; Einrichtungen, mit denen jeder der Zwischenspeicher unter Druck mit jeweils einem anderen fluiden Bestandteil aus den Vorratsbehältern dafür beschickt und hierdurch auf einen vorherbestimmten Druck gebracht wird;

eine Mischeinrichtung mit mindestens zwei Zuführungsöffnungen zur Aufnahme der mindestens zwei fluiden Bestandteile und mindestens einer Auslaßöffnung zur Abgabe der Mischung aus den mindestens zwei fluiden Bestandteilen; und mit jedem der Zwischenspeicher verbundene Einrichtungen zur Steuerung der Zuführung der fluiden Beständteile aus den Zwischenspeichern zu der Mischeinrichtung, welche Steuerungseinrichtungen derart betrieben werden können, daß mindestens zwei fluide Bestandteile aus den Zwischenspeichern im wesentlichen gleichzeitig der Mischeinrichtung zugeführt werden.

Erfindungsgemäß wird jeder fluide Bestandteil einem Zwischenspeicher zugeführt, in dem er vor der Oberführung in eine Mischeinrichtung bei einem gewünschten, vorher einstellbaren Druck aufbewahrt wird. Wenn die fluiden Bestandteile vermischt werden sollen, werden zwischen den Zwischenspeichern und der Mischeinrichtung angeordnete, schnellwirkende Ventile geöffnet, so daß die fluiden Bestandteile durch die Zwischenspeicher über die Ventile in die Mischeinrichtung überführt werden, was derart erfolgt, daß der Druckabfall von dem Zwischenspeicher zu den Zuführungsöffnungen der Mischeinrichtung relativ klein ist. Die Drücke in den Zwischenspeichern sind derart ausgelegt, daß die

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Momente oder Impulse der beiden in die Mischeinrichtung eingeführten fluiden Ströme im wesentlichen gleich sind und daß das Verhältnis der auf das Gewicht bezogenen Strömungsgeschwindigkeiten der zu vermischenden Bestandteile im wesentlichen konstant ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dabei verwendeten Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluiden werden die Fluide in getrennten Zwischenspeichern unter Druck gelagert und im wesentlichen gleichzeitig in eine Mischkammer überführt, wobei der Druckabfall jedes Zwischenspeichers derart gesteuert wird, daß die Druckabfälle im wesentlichen gleichartig sind. Die Eigenschaften der fluiden Bestandteile, die Größe der Zuführungsöffnungen der Mischkammer und die vorher bestimmten Drücke, unter denen die Fluide in den Zwischenspeichern gelagert werden, werden derart ausgewählt, daß das Verhältnis der auf das Gewicht bezogenen Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide im Bereich der Zuführungsöffnungen konstant ist und daß die Impulse oder Momente der Fluide im Bereich der Zuführungsöffnungen gleich sind.

Wenn die Reynolds-Zahl der behandelten Fluide bei einem Wert von mehr als etwa 50 gehalten wird, kann das System Fluide mit relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten einer Mischkammer zuführen, so daß die gesamte Vorrichtung die vermischten Fluide mit einem relativ größeren Spritzvolumen oder Schußgewicht abgeben kann, als es mit derzeit zur Verfügung stehenden Mischvorrichtungen möglich ist.

Weitere Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile ergeben sich aus der weiteren Beschreibung der Erfindung, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 anhand eines Blockdiagramms eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 anhand einer Kurve die qualitative Beziehung zwischen dem Druck und der Zeit der Zwischenspeichersysteme, die für die zu vermischenden Fluide in der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung benützt werden;

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Fig. 3 anhand einer Kurve eine typische Druck-Zeit-Abhängigkeit eines Beispiels eines Zwischenspeichersystems, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist; und

Fig. 4 anhand von Kurven die Beziehungen zwischen dem dimensionslosen Ausströmungskoeffizienten C₁. und der Reynolds-Zahl bei verschiedenen Düsengrößen der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, wird ein erster fluider Bestandteil aus einem Vorratsbehälter 18 dafür und ein zweiter fluider Bestandteil aus einem Vorratsbehälter 29 zugeführt. Die für jeden fluiden Bestandteil vorhandenen Zwischenspeicher oder Akkumulatoren 12 und 23 sind übliche Balg-Zwischenspeicher, deren Bälge mit Hilfe geeigneter Druckeinrichtungen 13 bzw. 24 und Ventile 14 bzw. 25 mit einem geeigneten Gas, beispielsweise Stickstoff gefüllt und auf einen vorherbestimmten Druck gebracht werden. Die Drücke werden mit Hilfe geeigneter Druckmesser 15 bzw. 26 überwacht. Nachdem die Zwischenspeicher-Bälge mit dem entsprechend ausgewählten Gas auf den gewünschten Druck gebracht sind, füllen die Bälge die Zwischenspeichergehäuse wie üblich im wesentlichen vollständig aus. Dann wird jeder fluide Bestandteil mit Hilfe der Pumpen 16 bzw. 27 über die Absperrventile 17 bzw. 28 und von dort über die Fluidförderleitungen 20 bzw. 21 und die Abzweigungen 2OA bzw. 21A aus den entsprechenden Vorratsbehältern 18 bzw. 29 in die betreffenden Zwischenspeicher überführt. Die Fluide werden über Tellerventile 31 und 32 in die Zwischenspeicher eingeführt und füllen den Innenraum des Gehäuses der Zwischenspeicher außerhalb der Bälge auf, bis die Zwischenspeicher eine ausreichende Menge der fluideri Bestandteile enthalten. Die fluiden Bestandteile werden demzufolge unter wesentlich höheren Drücken in den Zwischenspeichern gelagert, als den Drücken, auf die die Bälge ursprünglich gebracht wurden, wobei diese Drücke in geeigneter Weise ausgewählt werden können, was im folgenden näher erläutert wird. Nachdem die Zwischenspeicher gefüllt und die Pumpen 16 und 27 abgeschaltet sind, verhindern die Absperrventile 17 und 28 die Rückströmung der Fluide zu ihren Vorratsbehältern. Gleichzeitig sind die Kugelventile 11 und

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-ή/Ι.

22 und die Magnetventile 19 und 30 geschlossen, so daß die fluiden Bestandteile unter den ausgewählten Drücken, die durch die Manometer 15 und 26 angezeigt werden, in den Zwischenspeichern 12 und 23 zurückgehalten werden.

Wenn die fluiden Bestandteile in die Mischkammer 10 überführt werden sollen, werden die Kugelventile 11 und 22 gleichzeitig mit Hilfe eines pneumatischen Stellgliedes 36, das in üblicher Weise auf Drehbewegung oder linearer Bewegung basieren kann und mit einer geeigneten Verbindungseinrichtung ausgerüstet ist, betätigt, so daß die Fluide im wesentlichen mit dem Druck des Zwischenspeichers gleichzeitig über die Zuführungsöffnungen 32" bzw. in die Mischkammer 10 überführt werden. Dazwischen sind Drosselventile 34 und 35 vorgesehen, die den gewünschten zeltlichen Druckabfall an den Düsen ergeben, wie es im folgenden genauer erläutert werden wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Mischeinrichtung beispielsweise um eine sog. Aufprallmischeinrichtung, die eine zylindrische Kammer umfaßt, in deren oberem Bereich bzw. in dessen Nähe die Zuführungsöffnungen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die in die öffnungen 32' und 33 eingeführten Fluide prallen in der zylindrischen Kammer mit hohen Geschwindigkeiten direkt aufeinander, wobei nur ein geringer Druckabfall von den Zwischenspeichern bis zu den damit verbundenen Zuführungsöffnungen auftritt. Die Mischung aus den fluiden Bestandteilen wird dann über die Auslaßöffnung 34' beispielsweise einer geeigneten Form zugeführt.

Wenn die Zwischenspeicher die erwünschte Menge der fluiden Bestandteile zugeführt haben, werden die Kugelventile geschlossen und die Magnetventile 19 und 30 geöffnet, so daß die überschüssigen fluiden Bestandteile über die Zurückführungsleitungen 2OB bzw. 21B in die Vorratsbehälter 18 bzw. 29 zurückströmen können.

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♦ Al.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollten die Druckabfalleigenschaften der Zwischenspeicher 12 und 23 während ihrer Entladung im wesentlichen die gleiche Form besitzen, die qualitativer Weise grafisch in der Fig. 2 dargestellt ist.

Der zeitliche Druckabfall, d. h. die Geschwindigkeit, mit der der Druck in jedem Zwischenspeichersystem abfällt, hängt von dem Strömungswiderstand der Auslaßleitungen ab. Obwohl es möglich ist, die Druckabfälle dadurch einzustellen, daß man die Querschnitte der Zuführungsöffnungen 32' und 33 (d. h. die dort vorhandenen Düsen) verändert, sind die Düsengrößen im allgemeinen durch die Impulse und Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide festgelegt, die bei den Zuführungsöffnungen auftreten sollen. Eine weitere geeignetere Methode zur Steuerung des zeitlichen Druckabfalls besteht darin, die Strömung des Fluids durch die Leitungen 20,

21 zu drosseln, die die Flüssigkeit über die Kugelventile 11 und

22 den öffnungen zuführt. Dieses Drosseln kann dadurch erreicht werden, daß man zwischen jeden Zwischenspeicher und dem damit verbundenen, von dem Stellglied betriebenen Kugelventil zusätzliche Kugeldrosselventile mit voller öffnung einfügt, die in der Fig. 1 als Drosselventile 3 4 und 35 dargestellt sind. Jedes Kugeldrosselventil kann manuell eingestellt werden, bis die gewünschten Druckabfalleigenschaften einer jeden Zwischenspeicher-Düsen-Kombination erreicht werden, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Nachdem die Drosselventile eingestellt sind, müssen sie nur dann verändert werden, wenn die Düsen gewechselt werden.

Nach der geeigneten Einstellung der Drosselventile ist es erforderlich, die Fluidgeschwindigkeitseigenschaften bei den Zuführungsöffnungen 32' und 3 3 zu bestimmen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man eine Reihe von Strömungsmessungen durchführt, um den Ausströmungskoeffizient C zu bestimmen, der dazu verwen-

i_l

det werden kann, die Geschwindigkeit des Fluidstrahls einer jeden öffnung vorauszusagen, wenn der das Fluid fördernde durchschnittliche Druck bekannt ist.

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Die Geschwindigkeit ν an jeder Öffnung kann durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

ν = C_L

\l ² Δ Ρ

in der

C_T der Ausströmungskoeffizient,

P die Dichte des Fluids und

Δp, wie in der Fig. 3 dargestellt, der durchschnittliche Druckunterschied während der Zeitdauer der Schußabgabe bzw. der Abgabe des gemischten Materials, der effektiv die Differenz zwischen den durchschnittlichen Drücken des Zwischenspeichers und der Mischkammer darstellt, bedeuten. Der Druck P_n ist der Anfangsgasvordruck in dem Zwischenspeicher, während P₁ für den Druck steht, den man dadurch erreicht, daß man den fluiden Bestandteil in den Zwischenspeicher einpumpt. Somit gilt die Gleichung:

ΔΡ

(P₀ + P₁)

wenn der Druckabfall im wesentlichen als linear angenommen wird, was durch die ausgezogene Gerade 36 in der Fig. 3 im Vergleich zu einem Beispiel einer tatsächlichen Druckabfallkurve dargestellt ist, die durch die gestrichelte Linie 37 wiedergegeben wird.

Der Ausströmungskoeffizient C_T hängt von der Reynolds-Zahl des betreffenden Fluids (wobei die Reynolds-Zahl als fi ν α/μ definiert ist, worin ß und ν die oben angegebenen Bedeutungen besitzen, d für den Durchmesser der Zuführungsöffnung und μ für die dynamische Viskosität des Fluids stehen) und der Geometrie der Zuführungsöffnung ab. Diese Beziehung ist in der Grafik der Fig. 4 wiedergegeben, in der die Kurven 40, 41 und 42 die Beziehung zwischen den Ausströmungskoeffizienten C₁. und der Reynolds-Zahl bei Zuführungsöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern von d.. , d₂ bzw. d₃ wiedergeben. Diese Kurven sind empirisch ermittelt worden durch Mes-

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./fit,

sung der Geschwindigkeiten des Fluids in einer bekannten Zuführungsöffnung bei einem durchschnittlichen Druck des Zwischenspeichers. Nachdem die Kurven der Fig. 4 bekannt sind, ist es möglich, ein Betriebssystem wie folgt auszulegen.

Nachdem die zu vermischenden Fluide ausgewählt sind, wird das Verhältnis der gewichtsmäßigen Strömungsgeschwindigkeiten Q und Q der Fluide A und B ermittelt, wobei dieses Verhält-

A Jj

nis für eine gegebene Mischung von dem Harzhersteller empfohlen wird. Somit gilt die Gleichung:

Q₁ = CQ₂
worin C für eine bekannte Konstante steht.

Da die volumenmäßigen Strömungsgeschwindigkeiten eines jeden Fluids durch p ν a, worin ρ und ν die oben angegebenen Bedeutungen besitzen und a für die Querschnittsfläche der betreffenden Zuführungsöffnung steht, angegeben werden können, können die Strömungsgeschwindigkeiten alternativ wie folgt wiedergegeben werden:

/VA^aA ^{= C}/>B^VB^aB
worin die Indices A und B für die Fluide A bzw. B stehen.

Damit ein gutes Durchmischen erreicht wird, sollten die Impulse bzw. Momente (d. h. die Werte P ν a) eines jeden Fluids ebenfalls gleich sein, was durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:
2 _ _ η ..2

Pa^vVa = f b^v Vb

Wenn die Gleichungen für die Strömungsgeschwindigkeit und die Beziehungen der Impulse gleichzeitig aufgelöst werden, können das Verhältnis a. /a der Flächen der betreffenden Zuführungsöffnungen und das Verhältnis v_n/v wie folgt

Xj Pi.

ausgedrückt werden:

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^dA	= C	Ph
^aB	Pb
^VB ^VA

Da C für die zu vermischenden Fluide bekannt ist, können die obigen Verhältnisse errechnet werden. Die Fläche einer Zuführungsöffnung kann dann in geeigneter Weise ausgewählt werden, wonach aus dem obigen Flächenverhältnis die Querschnittsfläche der anderen Zuführungsöffnung ermittelt wird. Die Schußgröße bzw. das Spritzvolumen und die Zeit, währenddem der Schuß oder das spritzzuverformende Material abgezogen wird, wird in Abhängigkeit vom Verwendungszweck der benutzten Vorrichtung ermittelt, so daß die auf das Gewicht bezogene Gesamtströmungsgeschwindigkeit ⁰TOTAL ^{errechnet wird} (wobei Q_T0TAL = Q_A + Q_ß)· Aus der Kenntnis des Verhältnisses zwischen Q und O_ können die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten getrennt ermittelt und die angestreb ten Fluidgeschwindigkeiten wie folgt errechnet werden:

— = v_A und
^aA ^A

Iß- ^{= V}B '

Dann kann die Reynolds-Zahl für jede der besonderen bekannten Fluide errechnet werden, worauf die Abmessungen der Zuführungsöffnungen und aus den entsprechenden Kurven der Fig. 4 die Werte für den Ausströmungskoeffizienten C_T eines jeden Zwischen-

Jj

Speichersystems ermittelt werden können.Aus diesen Werten kann der mittlere treibende Druck £> ρ eines jeden Zwischenspeichersystems mit Hilfe der folgenden Gleichungen errechnet werden:

ν ²
Δ P_DA = A

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DB

c ^{2 2}

Da der Druck p_„ in der Mischkammer selbst gemessen oder mindestens gut angenähert ermittelt werden kann, kann man den durchschnittlichen Gesamtdruck eines jeden Zwischenspeichers wie folgt errechnen:

Δ P_A = Δ P_DA + P_CH ^und

ΔΡ_Β ⁼ &P_Db ⁺ P_CH.

Mit Hilfe geeigneter Experimente, die für jeden Zwischenspeicher durchgeführt werden können, können die Druck-Volumen-Charakteristiken des Gases in jedem Zwischenspeicher mit Hilfe der bekannten Gasgesetze wie folgt ermittelt werden:

worin V₁ und V„ für das Gasvolumen des Zwischenspeichers vor der Füllung und nach der Füllung stehen und wobei der Exponent zuvor experimentell für den besonderen Zwischenspeicher ermittelt wurde.

Aus den obigen Beziehungen für einen jeden Zwischenspeicher kann man den vor der Füllung herrschenden Gasdruck und den nach der Füllung herrschenden Gasdruck, nachdem das Fluid in den Zwischen speicher eingepumpt worden ist, ermitteln. Um sicher zu stellen, daß eine ausreichende Menge des Fluids für die angestrebte Schuß größe oder das angestrebte Spritzvolumen zur Verfügung steht, kann der nach der Füllung vorherrschende Druck bei einer gegebenen Menge des Fluids plus einem zusätzlichen festen Prozentsatz (beispielsweise 10 %) errechnet werden. Im folgenden wird ein spezifisches Beispiel gegeben, das eine Gruppe von Berechnungen erläutert, die erforderlich sind, um die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend auszulegen.

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Gemäß diesem Beispiel ist es erwünscht, zwei fluide Kunststoffbestandteile, nämlich ein Polyol und ein Isocyanat, zu vermischen, die die folgenden Eigenschaften und Verhältnisse der auf das Gewicht bezogenen Strömungsgeschwindigkeiten für das gute Durchmischen aufweisen.

D= 1,051 g/cm³ (2,04 slugs/ft.³) Spezifisches Gewicht = 1,05 g/cm³ (Polyol) μ_± (bei 26,7°C) = 750 cP

/K = 1,22 g/cm³ (2,37 slugs/ft.³)

Spezifisches Gewicht =1,22 g/cm³ (Isocyanat) μ (bei 54,4°C) = 450 cP
Q_p -1,94-Q.

Das Verhältnis a_p/a_{± der} Flächen der Zuführungsöffnungen wird wie folgt errechnet:

7? ⁼ -JT °^{2 = 4}'³⁸

i pp

Wenn der Durchmesser d der Zuführungsöffnung für das Polyol auf 1,08 cm (0,425 in.) eingestellt wird, beträgt der Durchmesser d. der Zuführungsöffnung für das Isocyanat 1,31 cm (0,203 in.). Die Schußgröße und die Zeitdauer werden mit 4,54 kg (10 lbs) pro 1 Sekunde ausgewählt. Somit lassen sich die gewichtsmäßigen Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide wie folgt errechnen:

Q = 2,99 kg/s (6,60 Ib./see.)

Q₁= 1,54 kg/s (3,40 Ib./see.) oder

Q = 2,86 l/s (1,01 χ 10"¹ ft.³/sec.)

Q_i = 1,27 l/s (4,47 χ 10~² ft.³/sec.)

Die Geschwindigkeiten können dann für einen jeden Bestandteil errechnet werden (gemäß der Gleichung ν = -^):

Cl

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ν = 31,09 m/s (102 ft./sec.)
V₁ = 30,48 m/s (100 ft./sec.)

Demzufolge können die Reynolds-Zahlen Re (ßvd/μ) für jedes Fluid und die damit verbundene Zuführungsöffnung wie folgt errechnet werden:

Re_f = 788
Re_± =510.

Aus den entsprechenden Kurven für spezifische öffnungsabmesser, in denen der Ausströmungskoeffizient gegen die Reynold'sehe Zahl aufgetragen ist (wie es in den Kurven der Fig. 4 beispielsweise dargestellt ist) können die Ausströmungskoeffxzienten C_T bestimmt werden:

C_Lp = 0,40

C_Li = 0,40

Aus diesen Werten können die durchschnittlichen Treibdrücke Δ ρ und ^P errechnet werden:

Z^ P_D =32,54 kg/cm² (463 psi) Z^ ρ . = 143,4 kg/cm² (2040 psi)

Addiert man die Kammerdrücke ρ „ (d. h. beispielsweise einen Kammerdruck von 5,27 kg/cm² (75 psi), zu jedem der oben angegebenen mittleren Förderdrücke, so erhält man die mittleren Gesamtdrücke Δ ρ und Zs P- wie folgt.

Δ.Ρ = 37,82 kg/cm² (538 psi) ^p. = 148,7 kg/cm² (2115 psi)

Für spezifische Zwischenspeicher betragen die erforderlichen Fluidvolumen bespielsweise:

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V ₌ _{= 174 1η}3 ₍₂*_{851 cm3)}

^Ρ (62,4 (1,05)

_{ν =} 3,4 (1728) = ₇₇ 2 in³ (1265 cm³) ¹ (62,4) 1,22

Wenn man einen Oberschuß des Fluids von 10 % annimmt, so ergeben sich die zu verwendenden gewünschten Fluidvolumina wie folgt:

V = 3130 cm³ (191 in )
V₁ = 269 cm³ (84,9 in³)

Wenn das Gasvolumen eines jeden Zwischenspeichers vor der Beschickung (V₁ und V₁₁) 17944 cm³ (1095 in.³) beträgt, so ergeben sich die erforderlichen Gasvolumina in beschicktem Zustand (V^ und V».) in jedem Zwischenspeicher wie folgt:

V₂ = 14814 cm³ (904 in.³)
V₂₁ = 16551 cm³ (1010 in.³)

Entsprechend den Druck-Volumen-Charakteristiken eines jeden Zwischenspeichers können die Beziehungen zwischen den Drücken in unbeschicktem und beschicktem Zustand wie folgt angegeben werden :

Pip ⁼ °'^{796 P}2_P
P₁₁ = 0,908 p_2i

Aus den obigen bekannten durchschnittlichen Zwischenspeicherdrücken Δ.Ρ_Ο und ΔP- können die vor der Beschickung herrschenden Gasdrücke P₁ und p-₁ und die nach der Beschickung vorherrschenden Gasdrücke p₂ und p_2l wie folgt errechnet werden:

P₁ =33,5 kg/cm² (477 psi)
P₂ =42,1 kg/cm² (599 psi)
P₁₁ = 141,3 kg/cm² (2010 psi)
p„.·= 156,1 kg/cm² (2220 psi)

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Es ist zu ersehen, daß die Impulse bzw. Momente (pv a) eines jeden fluiden Bestandteils an der betreffenden Zuführungsöffnung, wie es aus dem folgenden hervorgeht, im wesentlichen gleich sind:

)^Vp ^ap ^ZU'^y

f i^Vi^ai

= 21 ,1

Wie aus der obigen Diskussion der erforderlichen Auslegungsparameter und der Probenberechnung eines spezifischen Beispiels zu erkennen ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die kontinuierliche Veränderung der Schußgröße innerhalb eines breiten Bereiches von Schußgrößen und Schußdauern unter Anwendung der gleichen Vorrichtung durch geeignete Veränderung des Druckes und des Verhältnisses der Öffnungsdimensionen.

Da es günstig ist, die dynamischen Viskositäten der Fluide, die bei bestimmten Temperaturen bekannt sind, zu steuern, ist es erwünscht, solche Fluidtemperaturen in jedem der Zwischenspeicher aufrechtzuerhalten. Eine Methode dazu kann darin bestehen, daß man entsprechende Heizeinrichtungen um den Bereich der Zwischenspeicher herum anordnet, in denen in gefülltem Zustand das Fluid vorliegt, wie es durch die Heizeinrichtungen 45 und 46 der Zwischenspeicher 12 bzw. 23 der Fig. 1 dargestellt ist. Diese Heizeinrichtungen können in Form von üblichen Silikonkautschukheizbändern vorliegen, die in geeigneter Weise an der Außenseite der Zwischenspeicher angeordnet sind und mit Hilfe geeigneter (nicht dargestellter) Thermostaten derart gesteuert werden, daß die dynamische Viskosität der Fluidbestandteile an den Zuführungsöffnungen in entsprechender Weise eingestellt wird. Man kann auch den gesamten Zwischenspeicher und die Heizeinrichtung in geeigneter Weise isolieren, wie es schematisch durch die Isolatoren 47 und 48 der Fig. 1 wiedergegeben ist.

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Da im wesentlichen die einzige während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgewendete Energie dazu verwendet wird, die Zwischenspeicher mit den fluiden Bestandteilen auf den gewünschten Druck zu füllen, kann dieses Füllen mit Hilfe einer geeigneten Pumpe erreicht werden, die lediglich einen kleinen Motor (mit beispielsweise wenigen Pferdestärken) benötigt, so daß es nicht erforderlich ist, während der Zuführung und des Vermischens der Fluide ständig laufende Pumpen anzuwenden (und ständig Energie zu verbrauchen), wie es bei herkömmlichen Vorrichtungen unerläßlich ist. Somit ist der Energieaufwand zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung geringer als der Energieaufwand, der für herkömmliche Vorrichtungen notwendig ist.

Da die einzelnen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung dem Fachmann bekannt sind, ist es nicht erforderlich, den Aufbau und den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter zu erläutern. So kann man als Zwischenspeicher beispielsweise jene Produkte verwenden, die von der Firma Greer-Olaer Products Division of Greer Hydraulics Co., Los Angeles, California, USA vertrieben werden und die mit Betriebsdrücken von bis zu 421,8 kg/cm² (6000 psi) erhältlich sind und die erforderlichenfalls auch für höhere Drücke ausgelegt werden können. Die für die Vorrichtung verwendeten verschiedenen Ventile und Pumpen sind ebenfalls von einer Reihe von Herstellern erhältlich und dem Fachmann geläufig.

Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung von fluiden Kunststoffmaterialien erläutert wurde, kann sie auch im Einklang mit den oben beschriebenen Prinzipien für andere Kombinationen aus fluiden Bestandteilen verwendet werden, wobei die Vorrichtung und das Verfahren auch für das Mischen von mehr als zwei fluiden Bestandteilen ausgelegt werden können. Im letzteren Fall werden die relativen Gewichtsverhältnisse der fluiden Bestandteile und deren Strömungsgeschwindigkeiten konstant gehalten, worauf die oben in Bezug auf zwei fluide Bestandteile beschriebenen Auslegungskriterien ohne weiteres auf eine Zahl von mehr als zwei fluiden Bestandteilen ausgedehnt werden können.

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Claims

29. Oktober 1976

^US7619 2649502

Patentansprüche

Verfahren zum Vermischen von mindestens zwei fluiden Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß man

endliche Volumen von mindestens zwei verschiedenen fluiden Bestandteilen, die aus entsprechenden Vorratsbehältern zugeführt werden, unter einem vorherbestimmten Druck lagert;

die mindestens zwei gelagerten fluiden Bestandteile im Verlaufe einer vorgewählten Zeitdauer im wesentlichen gleichzeitig einer Mischeinrichtung zuführt; und die fluiden Bestandteile in der Mischeinrichtung zu einer Mischung vermischt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß man die Drücke, mit denen die gelagerten fluiden Bestandteile der Mischeinrichtung zugeführt werden, derart steuert, daß die Druckabfallcharakteristiken während der vorgewählten Zeitdauer im wesentlichen für jeden fluiden Bestandteile ähnlich sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Eigenschaften der fluiden Bestandteile, die Abmessungen der Zuführungsöffnungen und die vorherbestimmten Drücke derart auswählt, daß ein im wesentlichen konstantes Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten der mindestens zwei fluiden Bestandteile in der Mischungseinrichtung erreicht wird und in der Mischeinrichtung eine Reynolds-Zahl eines jeden Bestandteils von mehr als etwai 50 sich ergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Anteile der fluiden Bestandteile, die während der vorgewählten Zeitdauer nicht in die Mischeinrichtung eingeführt worden sind, in die

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betreffenden Vorratsbehälter zurückführt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Lagerung der fluiden Bestandteile unter Druck und während der vorgewählten Zeitdauer, während der sie gleichzeitig in die Mischeinrichtung eingeführt werden, es verhindert, daß die gelagerten fluiden Bestandteile in die entsprechenden Vorratsbehälter zurückströmen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften der fluiden Bestandteile, die Größe der mindestens zwei Zuführungsöffnungen und die vorherbestimmten Drücke, bis zu denen die Zwischenspeicher beschickt werden, derart ausgewählt werden, daß im wesentlichen gleiche Impulse bzw. Momente der fluiden Bestandteile und ein im wesentlichen konstantes Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten der fluiden Bestandteile im Bereich der Zuführungsöffnungen erreicht werden, wobei die Reynolds-Zahl eines jeden fluiden Bestandteiles bei der entsprechenden Zuführungsöffnung größer ist als etwa 50.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich ne t, daß die gewichtsmäßigen Strömungsgeschwindigkeiten der fluiden Bestandteile derart ausgewählt werden, daß deren Verhältnis im wesentlichen konstant ist und im wesentlichen gleich ist dem Verhältnis der volumenmäßigen Strömungsgeschwindigkeiten.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuereinrichtung während der genannten Zeitdauer derart betrieben wird, daß sich im wesentlichen gleichgeformte Druckabfallcharakteristiken eines jeden Zwischenspeichers ergeben.

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*3.
9. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei fluiden Bestandteilen, gekennzeichnet durch mindestens zwei Vorratsbehälter (18, 29) für mindestens zwei verschiedene fluide Bestandteile; mindestens zwei Zwischenspeicher (12, 23); Einrichtungen (16, 27, 17, 28, 20, 21, 2OA, 21A, 31, 32), mit denen jeder der Zwischenspeicher unter Druck mit jeweils einem anderen fluiden Bestandteil aus den Vorratsbehältern dafür beschickt und hierdurch auf einen vorherbestimmten Druck gebracht wird;

eine Mischeinrichtung (10) mit mindestens zwei Zuführungsöffnungen (32', 33) zur Aufnahme der mindestens zwei fluiden Bestandteile und mindestens einer Auslaßöffnung (34') zur Abgabe der Mischung aus den mindestens zwei fluiden Bestandteilen; und

mit jedem der Zwischenspeicher verbundene Einrichtungen (13, 14, 15, 24, 25, 26, 34, 35, 11, 22, 36) zur Steuerung der Zuführung der fluiden Bestandteile aus den Zwischenspeichern zu der Mischeinrichtung, welche Steuerungseinrichtungen derart betrieben werden können, daß mindestens zwei fluide Bestandteile aus den Zwischenspeichern im wesentlichen gleichzeitig der Mischeinrichtung zugeführt werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Steuerungseinrichtungen ein schnell arbeitendes Ventil (11 bzw. 22) umfaßt, das zwischen dem betreffenden Zwischenspeicher (12 bzw. 23) und einer der Zuführungsöffnungen (32' bzw. 33) angeordnet ist, wobei das Ventil in geöffnetem Zustand einen Förderweg von dem betreffenden Zwischenspeicher zu der Zuführungsöffnung freigibt, so daß die fluiden Bestandteile aus dem Zwischenspeicher in die Zuführungsöffnungen gefördert werden.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Einrichtungen (34, 35) aufweist, mit denen die Druckabfallcharakteristiken eines jeden Zwischenspeichers (12, 23) während der Zeitdauer gesteuert werden können, während der die fluiden Bestandteile der Mischeinrichtung

(10) zugeführt werden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Einrichtungen (31, 20A, 20, 19, 2OB, 32, 21A, 21, 30, 21B) aufweist, die die Rückführung der fluiden Bestandteile aus dem Zwischenspeicher (12, 23) zu den Vorratsbehältern (18, 29) für die fluiden Bestandteile steuern.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e kennz e ichnet, daß die Rückführungssteuerungseinrichtungen Absperrventile (17, 18) umfassen, die das Zurückströmen der fluiden Bestandteile von den Zwischenspeichern (12, 23) verhindern, wenn die Zwischenspeicher mit Hilfe der Zuführungseinrichtung (13, 14, 15, 24, 25, 26) für die fluiden Bestandteile auf den vorherbestimmten Druck gebracht sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e kennz eichnet, daß die Rückführungssteuereinrichtungen zusätzlich Ventile (19,30 ) aufweisen, die die Rückführung der fluiden Bestandteile aus den Zwischenspeichern (12, 23) in die betreffenden Vorratsbehälter (18, 29) ermöglichen.

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