DE2245442A1 - Vorrichtung zur unterstuetzung der entstehung von turbulenz - Google Patents

Description

• PATENTANWÄLTE

DR.-.NG. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

The A.P.V. Company, Ltd. Manor Royal, Crawley, Sussex, England

Vorrichtung zur Unterstützung der Entstehung von Turbulenz

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterstützen des Entstehens von Turbulenz in einem Strömungsmittel mit einer Mehrzahl von die Turbulenz erzeugenden oder unterstützenden Elementen.

Während eine zur Unterstützung der Entstehung von Turbulenz dienende Vorrichtung gemäß der Erfindung besonders geeignet ist als Mischer zum Mischen von zwei oder mehr Flüssigkeiten oder zum Mischen eines oder mehrerer Gase und/oder einer oder mehrerer Feststoffe mit einer oder mehreren Flüssigkeiten wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung ebenfalls mit Vorteil zum Erzeugen oder Unterstützen der Turbulenz in einem Strömungsmittel für andere Zwecke geeignet ist, beispielsweise zur Verbesserung des Wärmeaustausches. Wenn die Vorrichtung als Mischer verwendet wird,^släßt sich die Vorrichtung anwenden, unabhängig davon, ob chemische Reaktionen zwischen den Komponenten auftreten.

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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung so weiterzubilden, daß die dabei verwendeten, die Turbulenz erzeugenden oder unterstützenden Elemente besonders einfach und billig ausgebildet und leicht anzuordnen sind, wobei gleichzeitig auf kurzem Wege eine starke und über den ganzen Querschnitt reichende und damit alle Plüssigkeitsfasern erfassende Turbulenz in der Flüssigkeitsströmung erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einige oder alle der die Turbulenz unterstützenden Elemente Vielfach-Glieder-Elemente sind, die aus einer Mehrzahl von Gliedern bestehen, welche jeweils in der Form eines streifenförmigen Gliedes ausgebildet sind, das um eine in Längsrichtung verlaufende mittlere Linie gedreht oder tordiert ist, wobei die Mehrzahl von Gliedern Seite an Seite oder als Anhäufung angeordnet sind, wobei die genannten, in Längsrichtung verlaufenden Mittellinien im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Sie Mehrzahl von Elementen sind dabei in Serie angeordnet, wobei benachbarte Abschnitte der angrenzenden Elemente verschieden orientiert sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die streifenförmigen Glieder so angeordnet, daß ihre Enden in der gleichen Ebene liegen und daß sie wenigstens an einem, vorzugsweise an beiden Enden jedes streifenförmigen Elementes radial verlaufen.

In einer solchen Anordnung ist es physikalisch nur möglich, zwei, drei oder vier streifenförmige Glieder anzuordnen.

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Die streifenförmigen Glieder in einem Element können die gleiche oder entgegengesetzte Drehriehtung aufweisen.

Aneinander angrenzende Elemente in der Vorrichtung können im Abstand oder kontinuierlich angeordnet sein und können in ihrer Form beispielsweise bezüglich der Drehriehtung der Glieder variieren.

In einer besonderen Ausführungsform sind die zwischen multiplen Gliederelementen angeordneten, alternierenden Elemente jeweils in Form eines einzigen streifenförmigen Gliedes, das um eine in Längsrichtung verlaufende Mittellinie gedreht ist und das vorzugsweise eine solche Breite aufweist, daß es quer durch das ganze Rohr, innerhalb dessen die Vorrichtung angeordnet ist, reicht.

TJm wieder zurückkehrende oder konvergierende Zonen zu vermeiden, wenn die Vorrichtung in einem Rohr angeordnet ist, wird die Drehung jedes Gliedes in den vielfachen oder multiplen Gliederelementen vorzugsweise auf 90° begrenzt.

Vorzugsweise haben die multiplen Gliederelemente zwei Elemente.

Aufeinanderfolgende Glieder können in ihrem Drehsinne wechseln, so daß den das einhüllende Rohr durchquerenden Substanzen im Uhrzeigersinne oder im Gegenuhrzeigersinne eine Drehung erteilt wird oder sie können auch alle im gleichen Drehsinne arbedten, wenn dies erforderlich ist. _s

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Die paarweise vorgesehenen Elemente besitzen einen Drehwinkel von 90 . Die Einzelelemente haben einen Drehwinkel, der größer oder kleiner als 90° sein kann, beispielsweise 112,5° oder 67,5°, derart, daß zwei aufeinanderfolgende Schraubengänge weitergeführt oder verzögert sind um einen Winkel von 22,5°·

Die individuellen, streifenförmigen Glieder können durch Drehen oder Tordieren eines Streifens gebildet werden oder,falls erforderlich dadurch, daß sie aus festem Material gearbeitet oder gegossen oder geformt sind.

In der bevorzugten Anwendungsform wird die die Turbulenz fördernde Vorrichtung in einem Rohr von kreisförmigem Querschnitt angeordnet.

Um einen Mischvorgang zur Erzielung einer Homogenität durchzuführen, können verhältnismäßig viele, z.B. 12 oder pehr Elemen-"te, vorgesehen sein. Wenn eine nicht homogene Mischung erzielt werden soll, z.B. eine wellenförmige Verteilung In Eiskrem, können ein oder einige wenige Elemente ausreichen, während die Verwendung von mehr Elementen in diesem Fall den gewünschten oder erforderlichen Effekt stören oder beeinträchtigen würden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischen Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine die Turbulenz unterstützende Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Mischers;

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die Fig. 2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen für die die Turbulenz unterstützende Vorrichtung mit jeweils zwei zugehörigen Elementen und

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Fig. 5 einen Abschnitt einer die Turbulenz fördernden Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist ein Rohr 1 von gleichbleibendem, kreisförmigem Querschnitt mit einem Zuführungsende 2 vorgesehen, durch das Flüssigkeiten, die gemischt werden sollen, zugeführt werden. Nach dem Durchqueren des Rohres 1 werden die Flüssigkeiten durch das Abgabeende 3 in gemischtem Zustande abgeführt. Innerhalb des Rohres 1 ist eine Anzahl von die Turbulenz erzeugenden oder unterstützenden Elementen vorgesehen, welche Paare von streifenförmigen Gliedern 4, 5 und 6, 7 aufweisen. Jedes dieser Glieder kann aus dünnem Blech hergestellt sein. Es kann aber auch in bestimmten Fällen aus solidem Material herausgearbeitet oder gegossen oder geformt sein. Wenn das Element aus Blech besteht, wird ein Streifen, dessen Breite gleich der Häufte des inneren Durchmessers des Rohres ist, gedreht oder tordiert, so daß die Enden des Streifens zueinander den gleichen Winkel einnehmen. Dieser Winkel kann 90° oder weniger oder 180° oder mehr betragen, wobei die Größe des Winkels bestimmt werden kann durch die Viskosität und die Geschwindigkeit der Strömung der Flüssigkeiten, die gemischt werden sollen.

Die geometrische Form jedes Gliedes kann als eine flache Schraube betrachtet werden. In Fig. 1 werden die Glieder 4 und 5 zu einem Paar angeordnet, wobei jedes Glied dieses Paares eine

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Linksdrehung aufweist, so daß Partikelehen, welche das Rohr 1 durchqueren, in einer Richtung vom Zuführungsende 2 zum Abgabeende 3 im Gegenuhrzeigersinne gedreht wird. Die Glieder 4 und 5 besitzen jeweils eine Breite gleich der Hälfte des Durchmessers des Rohres 1 und unterteilen das Rohr, so daß die Strömung ebenfalls unterteilt wird. Die Glieder 4 und 5 neigen weiterhin dazu, die bereits unterteilte Strömung durch axiale Soherwirkung weiter zu unterteilen. An die Glieder 4 und 5 sind ähnliche Paare von Gliedern 6 und 7 angebracht, die in Fig. 1 eine ,Rechtsdrehung, d.h. eine der Drehung der Glieder 4 und 5 entgegengesetzte Drehung aufweisen, wobei jedoch in bestimmten Änwendungsfällen die Glieder 6 und 7 auch den gleichen Drehsinn wie die Glieder 4 und 5 haben könnten.

Die Verbindung zwischen den Gliedern kann eine genaue Stoßverbindung, eine Überlappungsverbindung oder eine Verbindung mit ZwiHchenraum sein, je nachdem, wie dies die Fließkunde von den zu mischenden Flüssigkeiten erfordert.

Die Elemente, die durch die Paare 4,5 und 6,7 gebildet werden, sind so aneinander angebracht, daß ihre anstoßenden Kanten einen Winkel bilden, der etwa 90° beträgt, wenn man entlaög der Rohrachse blickt. Dieser Versetzungswinkel, bzw. seine Größe hängt ab von der Zahl von Elementen entlang des Rohrlängenabööhnittes.

Das Gliederpaar 6, 7 unterteilt die Strömungen» welche das Paar 4, 5 verlassen, in einer Weise ähnlich der anfänglichen Unterteilung der Strömung durch das Gliederpaar 4_f 5. Auf diese Weise wird die Gesamtströmung unterteilt und erneut in feinerer

Weise unterteilt, wenn die Strömungfentlang der Länge der Mischzone fortschreitet. Der Wechsel der Richtung, der.durch die Elementenpaare veranlaßt wird, welche unterschiedliche oder entgegengesetzte Drehungen besitzen, verstärkt die Mischwirkung innerhalb der Flüssigkeiten. Die Krümmung der Elemente veranlaßt, daß die Partikelchen in radialer Richtung von der .Außenseite zur Mitte und von der Mitte zur Außenseite wandern, und zwar so viele Male, wie dies die besondere Anordnung der Elemente gestattet.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzen die Elemente jedes Paares die gleiche Drehrichtung. Eine Modifikation dieser Anordnung besteht darin, daß Elemente von entgegengesetzter'Drehrichtung in jedem Elementenpaar angeordnet sind.

Der Mischeffekt umfaßt dann eine vielfache Unterteilung fortschreitend in Längsrichtung, sowie eine Quermischung durch die Partikelchenbewegung in radialer Richtung nach innen und nach außen, sowie eine Scherwirkung an den Anstoßstellen der Elemente Und im gewissen Umfange eine Rückmischung aufgrund der Turbulenz, wobei diese abhängig ist von der Viskosität.

Pig. 2 veranschaulicht ein Element mit 4 flachen Schrauben8, 9» 10 und 11, welche entlang zweier Durchmesser das Rohr unter 90 durchqueren und die innerhalb des Rohres angeordnet, sind. Jede der Schrauben weist, eine Linksdrehung auf. .Angeheftet ist ein ähnlichen Element mit flachen Schraubengängen 12, 13, 14 und 15, wobei diese Schrauben jedoch eine Rechtsdrehung aufweisen:. Eine solche Anordnung umfaßt zwei oder mehr Elemente, die verwendet werden, um F] 'joaigkeiten von niedriger Viskosität oder Flüi>i=j.g-

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keiten und Gas zu mischen, wenn eic höherer Turbulenzgrad notwendig wird.

Fig. 3 veranschaulicht ein Element, das 3 flache Schraubengänge 16, 17, 18 aufweist, welche entlang von,3 Radien in einem umhül-' lenden Rohr mit Umfangsabstanden von 120° angeordnet sind. An dieses Element ist ein ähnliches Element mit flachen Schraübengängen 19, 20, 21 von entgegengesetzter Drehung oder Steigung angeheftet. Eine solche Anordnung umfaßt zwei oder mehr Elemente, die verwendet werden, um Flüssigkeiten mit mittlerer Viskosität zu mischen.

Die Fig. 4 veranschaulicht in ähnlicher Weise die Ausbildung von paarweise angeordneten Schraubengängen, wie in Fig« 1, welche . verwendet werden, um Flüssigkeiten von hoher Viskosität miteinander zu mischen.

Die Mischvorrichtung, wie sie beschrieben wurde, ist sehr einfach herzustellen, und zwar praktisch aus allen verfügbaren Materialien, z.B. aus Metall, Kunststoff, Glas. Es ist weiterhin eine statische Vorrichtung, die keine beweglichen Teile aufweist, vorhanden. Sie ist weiterhin sauber und leicht zu reinigen.

Die wiedergegebene Vorrichtung ist besonders nützlich zum Mischen von auf Scherwirkung empfindliche Materialien wie Joghurt mit ganzen oder unterteilten Früchten.

Die zum Mischen erforderliche Energie wird.durcli die Bewegung

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der Flüssigkeiten/Feststoffe oder Gase gewonnen, die durch die Vorrichtung laufen. In Betrieb wird das zugeführte Material fortlaufend gleichförmig in eine Vielzahl von Strömungsfäden unterteilt und entsprechend der besonderen Anordnung der Mischelemente. Die Unterteilung schreitet fort in ebensoviel Stufen wie notwendig wird, um den gewünschten Mischungsgrad zu erzielen. Zusätzlich zu der Unterteilung des zugeführten Materials wird dieses Material gezwungen, sich entlang eines Weges senkrecht zur Vorwärtsbewegung von der Mitte zur Peripherie und zurück zu bewegen, und zwar viele Male während des Durchgangs durch die Vorrichtung, wobei die Anzahl dieser Bewegungen durch die Anzahl der individuellen Elemente in linearer Richtung bestimmt wird. Die vorliegende Erfindung findet besondere Anwendung in Lebensmittel- und Getränkeindustrien und ist von besonders einfacher, rohrförmiger Konstruktion und leicht durch an Ort und Stelle anzuwendende Säuberungsmethoden zu reinigen und nachfolgend zu sterilisieren durch heiße oder kalte Sterilisationsflüssigkeiten. Beispielsweise läßt sich ein gesteuertes Mischen von Eiskrem zur Erzeugung der schlangen- oder wellenförmigen Verteilung, die Luf^Jjeimischung bei Fermentationsmaterial _r die Sättigung mit Kohlensäure von Bier, Lagerbier oder Mineralwasser erreichen.

Die Verwendung von Streifen mit einer Breite von nur der Hälfte des Durchmessers des Rohres bedeutet, daß eine Dehnung der Kanten der Streifen, wenn diese gedreht werden, nur gering ist, verglichen mit dem Drehen von Streifen mit einer Breite gleich dem Durchmesser, so daß ein vorgegebener Drehzustand erzielt werden kann mit einer Verminderung der Länge des Streifens.

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Bei Verwendung ala Wärmetauscher kann das Rohr 1 mit einem Mantel ausgerüstet werden, um die Flüssigkeit, welche durch das Rohr fließt, mit Hilfe irgendeines geeigneten Wärmeübertragungsmediums zu erhitzen oder zu kühlen.

Gemäß Pig. 5 sind zwei Glieder 21 und 22 vorgesehen, von denen ein jedes eine Linksdrehung aufweist und an ein einziges Gliedelement 23 angrenzt, welches den gleichen Drehungssinn besitzt.

Angrenzend an die stromabwärtsliegende Kante des Elementes 23, welche einen Drehungswinkel kleiner als 90° aufweist; sind zwei Elemente 24, 25 mit Rechtsdrehung vorgesehen. Ein weiteres einzelnes Element 26, ebenfalls mit Rechtsdrehung, schließt an die stromabwärtsliegenden Kanten der Elemente 24, 25 an. Auf diese Weise setzen sich die Glieder 24, 25 und die nachfolgenden, paarweise angeordneten Schrauben im Winkelsinne fort, beispielsweise um 22,5° und zwar im Uhrzeigersinne und nachfolgend der Richtung der Strömung, die durch den Pfeil A angedeutet ist.

Es ist nicht unbedingt notwendig, daß das aus mehereren Teilen bestehende Glied mit der Einlaßkante in radialer Anordnung innerhalb des Rohres vorgesehen ist. Beispielsweise kann eine 5-Punkt- oder eine andere HäufungsanOrdnung verwendet werden.

Ansprüche

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Claims (10)

1. 2245U2

   Ansprüche

   Θ Vorrichtung zum Unterstützen oder Erzeugen von Turbulenz mit einer Mehrzahl von die Turbulenz unterstützenden Elementen, dadurch gekennzeiohne t, daß einige oder alle der die Turbulenz unterstützenden Elemente multiple Gliederelemente^,5) bzw. (6, 7) sind, welche aus einer Mehrzahl von Gliedern bestehen, die jeweils allgemein in Form eines streifenförmigen Gliedes ausgebildet sind, das um eine in Längsrichtung verlaufende Mittellinie gedreht oder tordiert ist, daß die Mehrzahl von Gliedern Seite an Seite oder in häufenförmiger Anordnung vorgesehen sind, wobei die Längsmittellinien im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und daß die Elemente in Reihe angeordnet sind, wobei' benachbarte Abschnitte oder aneinander angrenzende Elemente unterschiedlich orientiert sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zei ohne t , daß die streifenförmigen Elemente (4,5) mit ihren Enden in der gleichen Ebene liegend angeordnet sind, und daß sich das eine oder beide Enden jedes streifenförmigen Elementes im wesentlichen radial erstreckt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennze ichne t , daß die streifenförmigen Glieder (4, 5) in einem Element die gleiche Drehrichtung aufweisen.
4. 4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die aneinander angrenzenden Elemente; »iclj fortsetzen.

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5. 5. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die aneinander angrenzenden Elemente in ihrer Form wechseln.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die alternierenden Elemente jeweils in Form von Ein-Streifen-Elementen, die um eine Längsmittellinie tordiert sind, ausgebildet und zwischen Elementen mit mehrfachen Gliedern angeordnet sind (vgl. Fig. 5).
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Glieder des Mehrgliederelementes nicht größer als 90° ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel des Eingliedelementes kleiner als 90° ist.
9. 9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder und. Elemente in einem Rohr von kreisförmigem Querschnitt angeordnet nind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9 im Zusammenhang mit Anspruch 6, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Breite der Uingliedorelemente so gewählt iot, daß das Element das Hohl· in Querrichtung durchragt.

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