DE3508350C2 - Mischvorrichtung zum Mischen wenigstens zweier Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen wenigstens zweier Flüssigkeiten, insbesondere zum Zubereiten von Getränken in einem bestimmten Verhältnis.

In der US 3,237,808 ist eine Vorrichtung zum Proportionieren von insbesondere Sirup und Wasser für die Zubereitung von Getränken beschrieben, bei welcher eine Zentrifugalpumpe einen konstanten Fluid­ druck an der Öffnung zweier Überstromsäulen aufrechterhalten soll, damit sich eine konstante Strömung durch diese Öffnungen einstellt.

Die aus der DE-OS 21 12 852 bekannte Vorrichtung zum Herstellen eines Flüssigkeitsgemisches ist so konzipiert, daß unter Verwendung von zwei Mischstellen jeweils abwechselnd während des Abzuges des fertigen Gemisches von der einen Mischstelle der Ansatz einer neuen Charge in der anderen Mischstelle vorgenommen werden kann. Somit ist es mög­ lich, daß infolge auftretender Störungen bei der Weiterverarbeitung die der Verderbnis anheimfallenden Mengen sehr klein gehalten werden, andererseits in kürzester Zeit eine Umstellung auf andere Mischungsarten erfolgen kann.

Bei der Vorrichtung zur Zubereitung eines Getränkes nach der DE 27 04 027 A1 werden Luft enthaltendes behandeltes Wasser einerseits und Getränkekonzentrate andererseits verwendet. Damit das fertige Getränk hohe Qualität und lange Lagerungsfähigkeit aufweist, muß die gelöste Luft aus dem Getränk entfernt werden. Zu diesem Zweck arbeitet die bekannte Entlüftungsvorrichtung ohne Unterdruckeinrichtungen, weil das das Getränk karbonisierende Gas auch dazu verwendet wird, das Getränk zu entlüften. Hierzu wird die unter relativ hohem Druck stehende Koh­ lensäure von einem Karbonisiergefäß für das Getränk in eine Wasser­ leitung eingeleitet und mit dem Wasser vermischt. Nach dem Dal­ ton′schen Gesetz treibt das eingeleitete Kohlensäuregas Luft aus dem Wasser.

Aus der US 3,743,141 ist eine Mischvorrichtung für Flüssigkeiten bekannt, die zwei Vorratsbehälter und eine damit verbundene Mischkammer unterhalb des Niveaus dieser Behälter sowie eine Pumpe umfaßt. Mit einer Steuervorrichtung ist dafür gesorgt, daß die Niveaus der Flüssigkei­ ten in beiden Behältern im wesentlichen gleich sind, damit das eingestell­ te Mischverhältnis immer gleich ist.

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, eine Mischvorrichtung der gattungsgemaßen Art so auszubilden, daß eine konstante Strömungsgeschwindigkeit mit relativ konstanten Druckdifferen­ tialen zwischen den einzelnen Flüssigkeitskomponenten und damit eine Genauigkeit der Zusammensetzung des sich ergebenden Gemisches gewährleistet ist, ohne dabei technisch aufwendige Mittel einsetzen zu müssen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems ergibt sich aus Anspruch 1. Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung bringt eine Vielzahl von Vorteilen auf Grund der Möglichkeit, eine konstante Strömungsgeschwin­ digkeit und somit verhältnismäßig stabile Druckdifferenzen zwischen Systemkomponenten einzustellen. Die konstante Strömung verbessert die Mischgenauigkeit und ermöglicht einen Dauerbetrieb und gewährleistet das Vorhandensein einer ausreichenden Menge an gemischtem Erzeugnis.

Weiterhin ist auch eine variable Strömungsgeschwindigkeit erzielbar, die von dem Druckdifferential bestimmt ist, welches seinerseits auf die Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten oder eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der kombinierten Flüssigkeiten anspricht, wenn ein gewünschtes Mischungsverhältnis gehalten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Mischvorrichtung mit einem Vorkühl-/Entlüftungstank;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Mischvorrichtung;

Fig. 3 eine Teilansicht gemäß der Linie 3-3 in Fig. 4;

Fig. 4 eine Mischkammer zur Aufnahme der Flüssigkeiten mit einem Druckventil in einer Zuführleitung,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 4, wobei das Ventil durch einen Linearantrieb betätigt wird.

In Fig. 1 ist eine Mischvorrichtung 10 gezeigt. Obwohl mehr als zwei Flüssigkeiten in jedem gewünschten Verhältnis gemischt werden können, wird der Betrieb der Mischvorrichtung 10 unter Bezugnahme auf zwei Flüssigkeiten, nämlich Wasser und Getränkesirup oder Konzentrat erläu­ tert.

Aufbereitetes Wasser wird in einen Vorkühl-Entlüftungstank 12 eingeleitet durch eine Leitung 14, die mit einer Leitung 16 verbunden ist. Ein Membranventil 18, das von einem Niveaufühler 20 betätigt wird, der einen Schwimmer 22 aufweist, steuert das Niveau des Wassers im Tank 12. Wasser aus dem Tank 12 wird in eine Aufnahmekammer 24 mittels einer Pumpe 26 durch eine Leitung 28, die mit einer Leitung 30 ver­ bunden ist, gepumpt. Die Wassermenge in der Aufnahmekammer 24 wird durch ein Membranventil 32 im wesentlichen konstant gehalten, das von einem Niveaufühler 34 betätigt wird, der einen Schwimmer 74 aufweist.

In ähnlicher Weise wird ein Getränkekonzentrat oder Sirup von einer Quelle durch Leitungen 38 und 40 in eine Aufnahmekammer 36 geleitet. Das Niveau des Sirups wird durch ein Membranventil 42 im wesentlichen konstant gehalten, das von einem Niveaufühler 44 betätigt wird, welcher einen Schwimmer 76 aufweist.

Jede der Aufnahmekammern 24 und 36 ist mit einer Quelle an Inertgas wie Kohlendioxid oder Stickstoff über eine Leitung 46 (Fig. 2) verbun­ den, die das gewählte Gas mit ungefähr 20 MPa zu einem Drucksteuer­ ventil 48 nachführt, dessen Niederdruckseite über eine Leitung 52 mit einer Ausgleichsleitung 50 verbunden ist. Unter Druck stehendes Inertgas in den Aufnahmekammern 24 und 36 sorgt für flüssigkeitsfreie Kopfräu­ me 54 und 56 von variablem Volumen aber mit konstantem Druck.

Dabei verdrängt das Gas mit konstantem Druck in jedem Kopfraum das Wasser und Getränkekonzentrat in eine Mischkammer 58 mit einer Geschwindigkeit, mit der die vermischten Flüssigkeiten von einem Füller (nicht gezeigt) abgezogen werden. Nach Fig. 1 wird die kombinierte Flüssigkeit aus der Mischkammer 58 über Leitungen 60 und 62 zu einem Karbonisierungs-Tank 64 mit einer Niveausteuerung gepumpt, die einen Schwimmer 68 aufweist, der ein Membranventil 70 betätigt, das die Geschwindigkeit steuert, mit der das Flüssigkeitsgemisch in den Tank 64 geleitet wird. Das gekühlte und karbonisierte Flüssigkeitsgemisch wird über eine Leitung 72 zu einem Füller (nicht gezeigt) geleitet.

Die Mischvorrichtung reagiert auf Änderungen der Strömungsgeschwindig­ keit der einzelnen Flüssigkeiten oder der kombinierten Flüssigkeiten, weil sich das Druckdifferential in Abhängigkeit dieser Änderungen automatisch ändert. Eine Änderung im Druckdifferential ändert oder gleicht die Strömungsgeschwindigkeiten sofort ab. Während das Mischverhältnis konstant gehalten wird, ergibt sich wegen des automatischen Druckdiffe­ rentialabgleichs ein im wesentlichen konstantes Niveau der Strömungs­ geschwindigkeit.

In Fig. 2 ist gezeigt, daß in jeder Aufnahmekammer 24 und 36 ein Nennflüssigkeitsniveau L.L. durch Niveaufühler 34 und 44 erfaßt wird, die mit Schwimmern 74 bzw. 76 verbunden sind, welche in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau mechanische Ventile 78 und 80 betätigen. Bei Abfall des Flüssigkeitsniveaus und Absenken eines oder beider Schwimmer wird das zugeordnete Ventil 78 und/oder 80 betätigt, um Druck, der von Betriebsluftleitungen 82 nachgeführt wird, zu den Membranventilen 32 und/oder 42 zu leiten, so daß die Geschwindigkeit von Wasser/Getränke­ sirup zur Aufnahmekammer 24 und/oder 36 erhöht wird, bis das Nenn­ flüssigkeitsniveau L.L. wieder erreicht ist.

Die Mischkammer 58 steht mit der Wasser enthaltenden Aufnahmekam­ mer 24 über eine Leitung 84 und mit der Sirup enthaltenden Aufnahme­ kammer 36 über eine Leitung 86 in Verbindung. Jede Leitung 84 und 86 ragt in die Flüssigkeit in jeder Aufnahmekammer und endet unterhalb des Nennflüssigkeitsniveaus L.L. Das Flüssigkeitsniveau in den Aufnahme­ kammern 24 und 36 wird während normalem Betrieb konstant gehalten.

Die Aufnahmekammern 24 und 36 sind längliche runde Gehäuse, die an beiden Enden durch obere und untere konvexe Wände 88 bzw. 90 verschlossen sind. Die oberen Wände 88 sind durchgebohrt und je mit einem aufwärts ragenden Anschlußstück 92 verbunden, das einen größe­ ren Innendurchmesser aufweist als der Durchmesser der Leitungen 84 und 86, um einen ringförmigen Durchgang 94 als Erweiterung der Kopf­ räume 54 und 56 zu definieren (nur einer von ihnen ist gezeigt). Die Enden der Leitung 50, die mit dem Kohlendioxidgas versorgt werden, sind mit Anschlußstücken 92 verbunden und erlauben somit das Ein­ führen von Kohlendioxid in die Kopfräume 54 und 56. Ein Verschluß 96 ist am oberen Ende eines jeden Anschlußstücks vorgesehen, um das Verbleiben des Kohlendioxidgases in den Kopfräumen 54 und 56 zu gewährleisten.

Das Pumpen von Wasser und Sirup von den Aufnahmekammern 24 und 36 zu der Mischkammer 58 ist durch Aufrechterhalten eines größeren Gasdruckes in den Kopfräumen 54 und 56 als der Druck in der Misch­ kammer 58 gewährleistet, während ein Wiederauffällen der Flüssigkeiten mit einer im wesentlichen gleichen Geschwindigkeit wie das Abziehen erfolgt.

Um ein gewähltes Verhältnis der zu mischenden Flüssigkeiten in der Mischkammer 58 sicherzustellen, sind Austrittsöffnungen 98 und 100 in den Leitungen 84 und 86 vorgesehen. Die Austrittsöffnung 100 hat einen bestimmten Querschnitt, während die Austrittsöffnung 98 mit einer Mikrometerschraube 102 zum Einstellen des Querschnitts versehen ist und damit das gewünschte Verhältnis der beiden Flüssigkeiten schafft. Die einstellbare Austrittsöffnung 100 ist in der Leitung vorgesehen, in welcher die höhere Strömungsgeschwindigkeit vorhanden ist. Die Ge­ schwindigkeit, mit der die Flüssigkeiten von den Aufnahmekammern 24 und 36 zu der Mischkammer 58 fließen, wird durch die Druckdifferenz zwischen den Aufnahmekammern und der Mischkammer bestimmt. Die Strömungsgeschwindigkeit von der Mischkammer 58 zum Tank 64 wird mit einem Membranventil 70 geregelt.

Kohlendioxid (CO₂ wird der Mischvorrichtung 10 und dem Karbonisier- Kühl-Tank 64 über eine Zuführleitung 46 zugeführt, die eine Zweiglei­ tung 47, welche mit einem Regelventil 106 verbunden ist, welches CO₂ mit einem gewählten Druck dem Steuerventil 48 zuführt, und eine Zweigleitung 49 aufweist, durch welche CO₂ zu einem Druckverminder- und Steuerventil (nicht gezeigt) geführt wird, welches seinerseits Gas mit bestimmtem Druck dem Tank 64 zuführt. Dieser Druck liegt im Bereich von ungefähr 3,55 MPa.

Zur Einstellung der Nenngeschwindigkeit der gemischten Flüssigkeiten von der Mischkammer 58 zu dem Tank 64 wird das Regelventil 106 durch eine von Hand drehbare Schraube 107 betätigt, bis eine Druckdif­ ferentialanzeige 109 ein Druckniveau anzeigt, das größer als der Druck in einer Leitung 108 ist, deren Druck gleich dem Druck innerhalb des Tanks 64 ist, das ist 3,55 MPa.

Unter Druck stehendes CO₂ wird dem Regelventil 106 über die Zweig­ leitung 47 zugeführt. Der Ausgangsdruck in einer Leitung 114, die das Ventil 106 mit dem Druckminder- bzw. Steuerventil 48 verbindet, ist gleich dem Druck in Leitung 108 plus einem Vorspanndruck, der durch die Anzeige 109 angezeigt wird. Zum Beispiel kann der Vorspanndruck 0,345 MPa sein, das ergibt einen Gesamtdruck von 3,895 MPa in der Leitung 114. Der Druck von 0,345 MPa wird durch das Regelventil 106 unabhängig von einem Druckanstieg oder -abfall in der Leitung 108 aufrechterhalten. Das eingestellte Druckdifferential bildet die Druckdiffe­ renz zwischen den Kopfräumen 54 und 56 und dem Tank 64; es wird unter Beachtung des Verhältnisses der einzelnen Flüssigkeiten, der Visko­ sität und der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnungen 98 und 100 berechnet. Folglich wird der CO₂-Druck in den Kopfräumen 54 und 56 immer um 0,345 MPa größer sein als der Druck in dem Tank 64.

Jede Aufnahmekammer 24 und 36 ist mit einem Niveaufühler 116 mit einem Hochniveaufühler H und einem Niedrigniveaufühler L versehen. Die Fühler arbeiten in einem Bereich von Flüssigkeitsniveaus jenseits des Bereichs, der durch die Schwimmer 74 und 76 erfaßt wird. Der Hoch­ niveaufühler H taucht bei zu viel Flüssigkeit in einem oder beiden der Aufnahmekammern 24 und 36 in die Flüssigkeit und schließt demzufolge das Ventil 32 bzw. 42. Fällt das Flüssigkeitsniveau unter das Ende des Niedrigniveaufühlers L, wird das Ventil 70 geschlossen.

Der Niveaufühler 66 oder der Niveaufühler 104 im Tank 64 haben keinen Einfluß auf den Strom der gemischten Flüssigkeiten von der Mischkammer 58 zum Tank 64, da beide Arten der Steuerung das Membranventil 70 bedienen, um die Strömung zum Tank 64 einzustellen. Die Strömungsgeschwindigkeit zum Tank 64 ist konstant und ist durch das Regelventil 106 von Hand einstellbar, welches seinerseits das Ventil 48 beeinflußt, um den Gasdruck in den Kopfräumen 54 und 56 ein­ zustellen. Sollte das Niveau im Tank 64 den Hochfühler H erreichen, wird das Membranventil 70 schließen, so daß der Strom des Flüssigkeits­ gemisches von der Mischkammer 58 anhält. Der Druck in Leitung 60 und der Mischkammer 58 steigt an und wird gleich dem Druck in den Kopfräumen 54 und 56, so daß ein Druckabfall von Null an den Aus­ trittsöffnungen 98 und 100 herrscht. Ahnlich betätigt der Schwimmer 68 (Fig. 1), wenn das Niveau im Tank 64 ansteigt, die Steuerung 66, so daß das Membranventil 70 die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Leitung 62 reduziert. Diese Reduzierung bewirkt ein Ansteigen des Drucks in der Leitung 60 und der Mischkammer 58 und reduziert somit das Druckdifferential zwischen den Austrittsöffnungen 98 und 100 und folglich proportional die Strömungsgeschwindigkeit der beiden Flüssigkei­ ten und die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsgemisches.

CO₂ wird durch die Leitung 46 (Fig. 2) zu dem Druckminderventil 48 geleitet, wo es auf einen Druck reduziert wird, der durch das Regelventil 106 bestimmt ist. Dieser regulierte Druck wird durch die Leitung 52 zur Leitung 50 und zu den Kopfräumen 54 und 56 geleitet. Die Leitung 50 hält gleiche Drücke zwischen den Kopfräumen 54 und 56. Der Druck in den Kopfräumen 54 und 56 verdrängt die Flüssigkeit in jeder Aufnahme­ kammer 24 und 36 aufwärts durch die Leitungen 84 und 86 in die Mischkammer 58. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers und Sirups wird durch das Druckdifferential zwischen den Kopfräumen 54 und 56 und der Mischkammer 58 und ebenfalls durch die Größe der Austritts­ öffnungen 98 und 100 bestimmt. Das Wasser und Sirup mischen sich zu einer Flüssigkeit mit einem bestimmten Mischungsverhältnis. Der Tank 64 ist über die Leitung 49 mit einer CO₂-Quelle verbunden, die eine sorg­ fältige Karbonisierung der gemischten Flüssigkeiten gewährleistet. Der Schwimmer 68 und sein zugeordnetes Membranventil 70 steuern die Geschwindigkeit, mit der die gemischten Flüssigkeiten in den Tank 64 eingelassen und die karbonisierten, gekühlten und gemischten Flüssigkei­ ten über die Leitung 72 zu einer Fülleinrichtung (nicht gezeigt) trans­ portiert werden.

Der Betrieb der Mischvorrichtung wird als Beispiel mit folgender Fließge­ schwindigkeit, Temperatur und Druck erläutert, wobei A für Leitung 14, B für Leitung 28, C für Leitung 38, D für Leitung 60 und E für Lei­ tung 72 stehen. Q, T und P repräsentieren Liter pro Stunde, Temperatur in °C bzw. Druck in MPa.

Beispiel 1

Beispiel 2

Mit der Mischvorrichtung wird die Aufgabe eines kontinuierlichen genau­ en Mischens von Flüssigkeiten auch unterschiedlicher Viskositäten und unterschiedlicher spezifischer Gewichte während des Dauerbetriebs erfüllt.

In Fig. 3, 4 und 5 ist eine Einrichtung gezeigt, mit der ein Trennen der Flüssigkeiten während des Entstehens von Übergangsbedingungen beibe­ halten wird, die entstehen, wenn eine normale Strömung der Flüssigkei­ ten unterbrochen ist. Während des Wechsels von normaler zu keiner Strömung sinkt das eingestellte Druckdifferential von ungefähr 0,345 MPa auf Null.

Fig. 3 zeigt einen oberen Teil der Aufnahmekammer 36, die Sirup oder Konzentrat enthält. Die Leitung 86 steht in Verbindung mit der Misch­ kammer 58 über Krümmer 101, die mit einem geraden Abschnitt der Leitung 103 verbunden sind, wobei sich ein kurzes Anschlußstück 110 zu der Mischkammer 58 erstreckt. Zwischen der Mischkammer 58 und der Aufnahmekammer 36, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Klappe 112 vorhanden, um den Strömungswiderstand zu erhöhen und ein unkon­ trolliertes Mischen der Flüssigkeit mit höherem spezifischen Gewicht mit der Flüssigkeit mit niedrigerem spezifischen Gewicht abzuschwächen. Zusätzlich zu der Klappe 112 ist die Mischkammer mit einem strömungs­ abhängigen Absperrventil 114 mit einer Kugel 116 versehen, die von Stäben 118 geführt ist und das Anschlußstück 110 verschließt, falls die Flüssigkeit von der Mischkammer 58 zu der Aufnahmekammer 36 strömt. Das Ventil 114 verhindert somit eine den Fluß der Strömung des Flüs­ sigkeitsgemisches in die Aufnahmekammer 36. Folglich ist die Verdün­ nung der Flüssigkeit mit dem höheren spezifischen Gewicht verhindert.

Als Ventil läßt sich auch eine Anordnung nach Fig. 5 einsetzen.

Ein linearer Antrieb 120, der mit einer Druckfluidquelle über Leitungen 122 und 124 verbunden ist, weist einen Stab 126 auf, welcher durch eine Spundpassung 128 geführt ist, die mit einer geeigneten Schließeinrichtung versehen ist. Das Ende des Stabes 126 trägt einen flachen konischen Kegel 130, der, wenn er in die Öffnung des Anschlußstücks 110 ruht, die Mischkammer 58 vom Anschlußstück 110 und der damit verbundenen Aufnahmekammer 36 isoliert.

Claims (5)

1. Mischvorrichtung zum Mischen wenigstens zweier Flüssigkeiten, insbesondere zum Zubereiten von Getränken in einem bestimmten Verhältnis,
mit einer Aufnahmekammer (24, 36) für jede Flüssigkeit,
einer mit jeder Aufnahmekammer (24, 36) verbundenen Mischkam­ mer (58),
einer Öffnung (98, 100) zwischen jeder Aufnahmekammer (24, 36) und der Mischkammer (58),
einem Behälter (64), welcher mit der Mischkammer (58) verbunden ist,
einer ersten Einrichtung (46, 108) zum Einführen von unter Druck stehendem Gas in den Behälter (64),
einer zweiten Einrichtung (50, 52, 92) zum Einführen von Gas in die Aufnahmekammern (24, 36), um sie mit gleichem Druck zu beauf­ schlagen,
und mit einer Druckeinstelleinrichtung (48), welche auf Druckände­ rungen im Behälter (64) anspricht und den Druck in den Aufnahmekam­ mern (24, 36) ändert, die den gleichen Druck haben, während sich der Behälterdruck von dem Druck in den Aufnahmekammern (24, 36) kon­ stant unterscheidet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (106, 107) zum wahlweisen Einstellen des von der Druckein­ stelleinrichtung (48) aufrecht zu erhaltenden Druckdifferentials vorgese­ hen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niveaufühler (66, 68) zum Bestimmen des Flüssigkeitsniveaus in dem Behälter (64) vorgesehen ist, und daß ein Ventil (70) zwischen der Mischkammer (58) und dem Behälter (64) vorgesehen ist, welches auf den Niveaufühler (66, 68) anspricht und beim Ansteigen des Flüssigkeits­ niveaus über eine bestimmte Höhe die Strömung aus der Mischkammer (58) reduziert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (106) ein Gasdruck-Regelventil ist, das zwischen der Gasquelle und den Aufnahmekammern (24, 36) angeschlossen ist, mit welchem ein gewählter Druck des aus der Gasquelle strömenden Gases auf einen vorbestimmten Druck reduzierbar ist, welcher gleichmäßig auf die Aufnahmekammern (24, 36) einwirkt, wobei ein konstantes Druckdif­ ferential zwischen den Aufnahmekammern (24, 36) und dem Behälter (64) beibehalten wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß stromab der Mischkammer (58) ein Regelventil (70) vorgesehen ist,
daß je ein Niveaufühler (34, 44) in den Aufnahmekammern (24, 36) vorgesehen ist, und
daß ein auf die Niveaufühler (34, 44) ansprechendes Ventil (32, 42) zum Schließen des Regelventiles (70) vorgesehen ist, um die Strömung aus der Mischkammer (58) zu reduzieren, wenn der Niveaufühler (74, 76) anzeigt, daß in einer Aufnahmekammer (24, 36) das Flüssigkeitsniveau unter einen Minimalpegel abgefallen ist.