DE2655901C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mi­ schen von Flüssigkeiten zu einer Emulsion nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Mischen von Flüs­ sigkeiten zu einer Emulsion nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Mi­ schen von Wasser mit einem Brennstoff, insbesondere mit einem hydrophoben Brennstoff, mit dem Ziel, die Verbrennungseigenschaften der Brennstoff-Wasser-Mischung zu verbessern.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art sind bereits aus der US-PS 28 89 118 be­ kannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird der Emulsions­ effekt einerseits in Düsen durch Kavitation und anderer­ seits durch Auftreffen des aus den Düsen austretenden Stahls auf eine Schneide erzielt. Durch das Zusammen­ wirken der Düse mit der Schneide wird ein Dispersions­ system gebildet. Wenn eine Düse einem Zahn gegenüber­ liegt, wird der Flüssigkeitsstrom gedrosselt, und der Wechsel zwischen dem gedrosselten Strom und dem ungedrosselten Strom bewirkt, daß die Düse als Kavita­ tionsröhre wirkt, deren Durchfluß im Rhythmus der Rotor­ bewegung gedrosselt und geöffnet wird. Der Spalt zwi­ schen dem Rotor und dem Gehäuse dient nicht als Misch­ kammer. Die Mischung erfolgt zum Teil in der Düse und zum Teil in dem Einlaß bei der Schneide. Im übrigen hängt der Grad des Dispersionseffektes an den Schnei­ den von deren radialer Stellung ab, d. h. von der Stel­ lung beweglicher Teile in der Vorrichtung. Die Ein­ stellung dieser beweglichen Teile auf einen speziellen Anwendungsfall ist jedoch problematisch.

Die GB-PS 8 41 935 betrifft eine Mischvorrichtung, bei der die zu mischenden Flüssigkeiten axial von unten einem scheibenförmigen Rührer zugeführt werden, der an seiner Unterseite Rührschaufeln, die die Flüssigkeiten zentrifugal nach außen transportieren, und an seiner Oberseite Schaufeln aufweist, die die Flüssigkeiten in Richtung auf die Achse des Rührers nach innen lenken. Der Mischeffekt findet am radial äußeren Bereich der oberen Schaufeln statt, wo die Geschwindigkeit, mit der sich die äußeren Teile der Schaufeln im Kreis bewegen, am größten ist. Mit anderen Worten verläuft der Flüssig­ keitsstrom zwischen den unteren Schaufeln von der Achse des Mischers nach außen und zwischen den oberen Schaufeln von der Peripherie der Schaufeln in Richtung auf die Achse des Mischers zu. Die Mischung erfolgt somit durch zentrifugalen und zentripedales Verwirbeln der Flüssigkeiten und hauptsächlich im radial außen liegenden Bereich zwischen den oberen Schaufeln 6. Aus diesem Grund ist es nicht gerechtfertigt, den Spalt zwischen den oberen Schaufeln und dem Gehäuse als Misch­ kammer zu bezeichnen, daß die Durchmischung der Flüs­ sigkeiten bestimmungsgemäß nicht dort, sondern zwischen den unteren Schaufeln und hauptsächlich zwischen den oberen Schaufeln stattfindet. Aus dem in der Entgegen­ haltung genannten Anwendungsfall, nämlich der Mischung von Polyester-Isocyanat mit Polyalkohol, ergibt sich im übrigen, daß die bekannte Vorrichtung lediglich zum Mi­ schen von einem Harz mit einer zusätzlichen Komponente, nicht jedoch zum Emulgieren von Flüssigkeiten dient.

Die DE-PS 8 08 114 betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten, bei der die Mischung in den Kanälen stattfindet, die teilweise in einem rotierenden Misch­ kreisel und teilweise in einem Gehäuse ausgebildet sind. Aus diesem Grunde kann man auch hier nicht von einer Mischkammer zwischen der Peripherie des Mischkreisels und der angrenzenden Gehäusewand sprechen. Es handelt sich bei diesem Spalt lediglich um einen Kanal, durch den die bereits emulgierten Flüssigkeiten abgeleitet werden. Da außerdem die Mischung der Flüssigkeiten zum Teil oberhalb des Mischkreisels und zum Teil nach Durchtritt durch eine zentrale Öffnung auf der Unter­ seite des Kreisels stattfindet, ist nicht gewährlei­ stet, daß die Mischung gleichmäßig erfolgt, wenn echte Emulsionen hergestellt werden sollen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiter­ zubilden, daß auf einfache Weise eine mechanische Emul­ gierung erreicht wird, durch die insbesondere das Ein­ leiten von Wasser in hydrophobe Brennstoffe unter Beibe­ halten eines vorgebenen Mischungsverhältnisses erzielbar sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 3 durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Mischvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, der eine Mischkammer und vereinfacht einen Umriß eines Rotors zeigt,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1, welcher Einzelheiten der Gestalt von Kanälen im Rotor darstellt,

Fig. 4 einen Schnitt ähnlich dem nach Fig. 3, welcher eine Abwandlung des Rotors zeigt und

Fig. 5 einen Schnitt ähnlich dem nach Fig. 3, welcher eine andere Abwandlung des Rotors zeigt.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Emulgiervorrichtung um­ faßt ein Einlaßkammer-Gehäuse 10 und ein Dichtungs- Gehäuse 11, die mittels Schraubbolzen 12 zusammenge­ schraubt und mit einer O-Ring-Dichtung 13 versehen sind. Die Gehäuse 10 und 11 bilden zwischen sich eine Misch­ kammer 15. In der Mischkammer ist ein frei drehbarer Rotor 20 angeordnet, der radiale Führungskanäle 19 auf­ weist. Der Rotor sitzt auf einer abgestuften Antriebs­ welle 21, welche sich durch eine Öffnung 23 zu einem äußeren Antrieb 25 erstreckt, welcher nicht gezeigt ist.

Zwischen dem Rotor 20 und der Öffnung 23 ist eine mecha­ nische Dichtung üblicher Ausbildung angeordnet, wobei die Öffnung 23 Teil der Dichtung ist. Die Dichtung sitzt innerhalb einer Dichtungskammer 35, die in dem Dicht- Gehäuse 11 ausgebildet ist. Die Dichtungskammer 35 ist von der Mischkammer 15 durch den Rotor 20 getrennt, mit Ausnahme eines kleinen Zwischenraumes 36 zwischen der Rotorperipherie und der inneren Umfangswand 37 der Mischkammer 15. Flüssigkeiten sind an einem unmittel­ baren Eintritt in die Dichtkammer 35 durch einen Umwäl­ zungsstrom der Emulsion gehindert, welche durch eine nichtgezeigte Öffnung 40 in das Dichtungs-Gehäuse 11 eingeleitet wird, eine Kühlung der Dichtung bewirkt und sich dann mit der Emulsion in der Kammer 15 vereinigt. Das Gehäuse 10 bildet eine Einlaßkammer 50, welche über einen Wassereinlaßkanal 51 und eine Brennstoffeinlaß­ kammer 52 gespeist wird. Die Einlaßkammer umfaßt die praktisch zylindrische Kammer 53 am Zusammenlauf der Kanäle 51 und 52 und dazu die scheibenförmige Kammer 49, die zwischen der mittleren Stirnfläche 54 des Rotors 20, der Einlaßwand 55 des Führungskanals 19 und der Stirn­ fläche 56 der Kammer 53 liegt.

Die Mischkammer 15 wird von einer Innenwand 55, einer äußeren Seitenwand mit einem kreisförmigen Abschnitt 37 und einem spiralförmigen Abschnitt 66, einer Vorderwand und einer Rückwand, welche durch die Rückwand 61 des Rotors gebildet ist, abgegrenzt und definiert. Die Mischkammer steht mit einem Auslaßkanal 65 in Verbin­ dung, welcher tangential zum Rotor, vgl. Fig. 2, und quer zu dessen Achse oder in irgendeiner anderen Stel­ lung dazwischen angeordnet sein könnte.

Der kreisförmige Wandabschnitt 37 erstreckt sich über 240° um die Kammer herum, während der spiral- oder schraubenlinienförmige Wandabschnitt 66 sich von der Stelle 70 zur Außenkante des Auslaßkanales 65 nach außen erstreckt. Die Mischkammer umfaßt die teilsichelförmige Zone, welche sich zwischen der Strecke 70 bis zu einer Linie 72 quer von der Öffnung 65 erstreckt. Die Misch­ kammer ist zum großen Teil durch den Rotor 20 ausge­ füllt.

Das Verhältnis des Volumens der Einlaßkammer zum freien Volumen der Mischkammer, d. h. zu ihrem Volumen minus dem des Rotors, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,8 : 1 bis 1,4 : 1, z. B. 0,9 : 1 bis 1,3 : 1 und ganz beson­ ders bei ungefähr 1,1 : 1.

Der Zwischenraum bzw. Abstand C zwischen dem Wandab­ schnitt 37 und dem äußeren Raum des Rotors liegt vor­ zugsweise im Bereich von 25 µm bis 140 µm, z. B. bei 50 µm. Der Radius R des Rotors beträgt 71 mm.

Das Verhältnis R/C liegt vorzugsweise bei mindestens 200 : 1 oder vorzugsweise bei mindestens 500 : 1, z. B. im Bereich zwischen 500 : 1 bis 3000 : 1, und ganz bevorzugt zwischen 1000 : 1 und 2000 : 1.

Die ungefähr sichelförmige Zone kann eine flache Außen­ wand haben, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Jedoch besteht ein bequemer Weg zur Herstellung dieses Teiles des Gehäuses darin, daß die zylindrische Mischkammer ausge­ fräst und die kreisförmige Auslaßöffnung 65 tangential zur kreisförmigen Kammer bis hinab zur Stelle 78 gebohrt wird. Anschließend kann man die Zone 15 von der Linie 72 bis hinab zur Stelle 70 mit einer Fräsmaschine bearbei­ ten, um den Übergang zwischen der Bohrung 65 und dem kreisförmigen Wandabschnitt 37 der Mischkammer zu glätten und so den gekrümmten Bereich zwischen der Linie 72 und der Stelle 70 zu bilden. Bei dieser Anordnung braucht der Wandabschnitt 66 nicht flach zu sein. Der maximale Zwischenraum C 2 zwischen dem Wandabschnitt 66 und der Peripherie des Rotors an der Stelle 78 beträgt ein Mehrfaches des Zwischenraumes C zwischen dem Wand­ abschnitt 37 und dem Rotor, wobei das Verhältnis C 2/C mindestens bei 10 : 1, vorzugsweise bei mindestens 50 : 1 oder 100 : 1 und ganz besonders bevorzugt im Bereich zwischen 50 : 1 bis 200 : 1 oder 500 : 1 liegt.

Gemäß Fig. 3 weist der Rotor 20 bei diesem Ausführungs­ beispiel zwölf radiale Kanäle 9 auf, die einen gleichen gegenseitigen Winkelabstand von 30° besitzen und sich jeweils von der Einlaßwand 55 zur äußeren Peripherie 36 des Rotors 20 erstrecken. Die radiale Länge jedes Kanales 19 beträgt das 0,6fache des Rotorradius.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Einlaß­ ende ein V-förmiger Schlitz 172, welcher einen Winkel von 60° einschließt, während das Auslaßende ein V-förmiger Schlitz 73 ist, welcher einen Winkel von 20° einschließt. Diese Winkel sind so gewählt, daß sich die Schlitze auch dann schneiden würden, wenn der Kanal in diesen Bereich nicht verbreitert wäre, um einen 2,1 mm breiten, verengten Abschnitt mit parallelen Seiten zu bilden.

Allgemeiner ausgedrückt ist der vom Schlitz 172 einge­ schlossene Winkel größer als der vom Schlitz 73 einge­ schlossene Winkel und kann zwischen 34° und 80° liegen, während der vom Schlitz 73 eingeschlossene Winkel zwischen 10° und 40° liegen kann.

Das Verhältnis der Weite des verengten Eingangsab­ schnittes 71 zur Weite des Einlaßendes kann zwischen 0,5 : 1 und 0,1 : 1, z. B. zwischen 0,2 : 1 und 0,4 : 1 liegen.

Das Verhältnis der Länge des radialen Führungskanals 19 zum Radius des Rotors 20 kann zwischen 0,9 : 1 und 0,4 : 1 betragen.

Die Verengung oder Einschnürung oder, falls mehrere Ver­ engungen oder Einschnürungen vorhanden sind, mindestens eine derselben ist vom Einlaßende des Führungskanals 19 zwischen 10 und 90%, z. B. zwischen 20 und 80% der Länge des Kanales entfernt.

Wenn der Kanal durch einen konvergierenden und wieder divergierenden Gang oder Führungskanal gebildet ist, ist der divergierende Abschnitt vorzugsweise länger als der konvergierende Abschnitt. Jedoch ist der Durchmesser bzw. die Breite am Einlaß vorzugsweise ungefährt genauso groß wie am Auslaß, liegt also zum Beispiel in dem Verhältnis-Bereich von 0,8 : 1 bis 1,2 : 1.

Beim Betrieb beispielsweise kann dem Brennmaterial Wasser in Mengen zwischen 2,5 und 15 Gew.-% des Mi­ schungsgewichtes zugesetzt werden. Kessel mit einer Wärmekapazität zwischen 0,3 und 3 MW sind erfolgreich mit Brennstoff-Wasser-Mischungen betrieben worden. Die Vorräte an Wasser und Brennstoff werden in Tanks unge­ fähr 2 m über der Mischvorrichtung aufbewahrt, woraus sich ein Zufuhrdruck von ungefähr 20 kPa ergibt. Wenn der Brennstoffvorrat unter Druck steht, sollte auch der Wasservorrat auf den gleichen Druck gebracht werden. Der Rotor wird mit 2800 bis herauf zu 5000 U/min im Uhr­ zeigersinn gemäß Fig. 2 angetrieben. Die Brennstoff- Wasser-Mischung wird aus der Einlaßkammer durch die auf die Flüssigkeit in den Führungskanälen 19 wirkende Zen­ trifugalkraft abgezogen und durch die Führungskanäle 19 radial nach außen geschleudet, von wo sie auf den Wand­ abschnitt 37 aufprallt. Die Außenwand 36 des Rotors ist in zwölf feste Teile 77 unterteilt, von denen jedes ungefähr die doppelte Umfangslänge wird die Auslässe 73 hat, wobei die festen Teile 77 wie Flügel wirken.

Sie haben daher die Funktion, die Brennstoff-Wasser- Mischung in dem Spalt zwischen dem Wandabschnitt 37 und der Wand 36 einerseits einer Scherung zu unterwerfen, als auch die Mischung längs des Umfangs der Mischkammer durch die teilsichelförmige Zone 78 vorzutreiben, wo eine turbulente Mischung stattfindet, und dann die Mischung durch den Auslaßkanal 65 auszustoßen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 hat die Verengung 71 die Funktion, den Flüssigkeitsstrom durch den Kanal 19 zu drosseln und dadurch seine Austrittsgeschwindigkeit zu erhöhen, wobei die divergierenden Auslaßschlitze an­ schließend einen Druckabfall in der Flüssigkeit bewir­ ken, was zur Zerstäubung des Brennstoffes in der Mischung führt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen alternative Formen des Rotors. Der nach Fig. 4 hat sechs Kanäle 19, von denen jeder durch relativ dünne Wände 80 abgegrenzt ist. Die äußeren Enden 81 der dünnen Wände 80 haben die gleiche Funktion wie die festen Flügel-Teile 77 nach Fig. 3.

Die Verengungen der Kanäle 19 sind bei dieser Ausfüh­ rungsform durch fünf gleichmäßig beabstandete, keil­ förmige Teile 82 gebildet, welche an der Außenfläche 70 des Rotors angeordnet sind.

Es handelt sich also um Punkt-Verengungen 83 anstelle länglicher Einschnürungen 71 wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3.

Kurze Auslaßschlitze 84, welche einen Winkel von 30° einschließen, erstrecken sich von jeder Verengung 83 nach außen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind sechs keil­ förmige Auslaßkanäle 19 vorgesehen, welche durch gerade radiale Wände 80 voneinander getrennt sind. Das gesamte Volumen jedes Kanales 19 ist von einem Keil 90 aus porösem Material, z. B. aus gesintertem Metall, ausge­ füllt, welcher in geeigneter Weise festgekeilt ist. Dies bildet eine Impedanz gegenüber dem Flüssigkeitsstrom durch den Kanal 19 und hat die gleiche Funktion wie die Verengung 71 bei der Ausführungsform nach Fig. 3. Es kann als eine Mehrzahl kleiner Verengungen angesehen werden.

Bei einem geeigneten Material stellt sich eine Emulsion mit einer Wassertropfengröße von 10-30 µm ein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten zu einer Emulsion,
bei dem die Flüssigkeiten in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis zu einer Einlaßzone geleitet werden, in der sie sich vermischen,
bei dem diese Mischung dann in engen Kanälen Zentrifugalkräften unterworfen wird und nach Austritt aus den Kanälen Scherkräften ausgesetzt und dann einem Auslaß zugeführt wird, aus dem die fertige Emulsion zu einem Verbraucher gelangt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung nach Austritt aus den Kanälen auf eine Wand aufprallt, die im Schnitt über eine radiale Zone von mindestens 240° kreisförmig ist, wobei die Scherung der Mischung in dieser Zone nach Austritt aus den Kanälen sehr hoch ist,
daß die Mischung anschließend in eine Zone überführt wird, in der sie turbulent strömt und keiner hohen Scherung ausgesetzt wird, und
daß die Mischung aus der Zone turbulenter Strömung direkt zu dem Auslaß geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeiten einer Kavitation unterworfen werden, bevor sie einer Scherung unterworfen werden.

3. Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten zu einer Emulsion nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1,
mit einem Gehäuse, mit einem drehbar gelagerten, antreibbaren Rotor in dem Gehäuse,
mit einer Mischkammer zwischen der Gehäusewand und der Rotorperipherie,
mit einer koaxial zur Rotorachse angeordneten Einlaß­ kammer,
mit in die Einlaßkammer mündenden Einlässen für die Flüssigkeiten,
mit sich nach außen erstreckenden Kanälen im Rotor, in welche die Flüssigkeiten aus der Einlaßkammer ein­ treten und an der Peripherie des Rotors in die Misch­ kammer austreten und
mit einem Auslaßkanal aus der Mischkammer für die fertige Emulsion,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse einen in einem Schnitt senkrecht zur Achse kreisförmigen Wand­ abschnitt (37) aufweist, der sich über den größten Teil der Rotorperipherie und mit kleinem Abstand zu diesem erstreckt,
daß sich an dem kreisförmigen Wandabschnitt (37) ein im Schnitt spiralförmiger Wandabschnitt (66) an­ schließt und nach außen erstreckt, wobei zwischen dem spiralförmigen Wandabschnitt und der Rotorperipherie eine im Schnitt ungefähr sichelförmige Auslaßzone (78) ausgebildet wird, und
daß der Auslaßkanal im Bereich der Auslaßzone angeordnet ist.

4. Mischvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Rotorradius und dem Abstand zwischen der Rotorperipherie und dem kreis­ förmigen Wandabschnitt (37) der Mischkammer (15) mindestens 200 : 1 beträgt.

5. Mischvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen vier und zwanzig Kanäle vorgesehen sind.

6. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder radiale Kanal (19) einen konvergierenden Eingangsabschnitt (71), der zu einer Verengung führt, und einen divergierenden Auslaßabschnitt (73) auf­ weist.

7. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Kanal von einem Einlaß zu einer Verengungszone verengt, in der mehrere Verengungen angeordnet sind, die jeweils als divergierende Kanäle an der Rotorperipherie münden.

8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in mehrere keilförmige, sich nach außen erweiternde Führungskanäle (19) aufgeteilt ist, in denen jeweils mindestens über einen Teil ihrer Breite poröses oder mikroporöses Material (90) angeordnet ist.