DE2811489A1

DE2811489A1 - Rohrmischer

Info

Publication number: DE2811489A1
Application number: DE19782811489
Authority: DE
Inventors: Norman Roger Herbst; William Frank Hutchings; Ronald Norman Salzman
Original assignee: General Signal Corp
Current assignee: SPX Technologies Inc
Priority date: 1977-03-21
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1978-10-05
Also published as: MX4423E; AU515460B2; FR2384536B1; JPS53116563A; SE7803226L; GB1601403A; IT1093884B; IT7821426A0; DE2811489C2; SE439735B; FR2384536A1; AU3426278A

Description

Patentanwä'te

Dipl.-Ing Dipl.-Chem. Dipl -Ing. A q λ « . q q

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leisei* ^{ö M} ^ ^{ö y}

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen; G 1421 14.Märζ 1978

GENERAL SIGNAL CORPORATION

High Ridge Park

Stamford, Connecticut 06094, ' "V.St.A.

Rohrmischer

Die Erfindung betrifft einen Rohrmischer, bestehend aus einem Rohr und darin angeordneten ortsfesten Elementen, die innerhalb des Rohres mehrere Strömungskanäle bilden, die sich zum Mischen von in den Strömungskanälen strömenden Stoffen überschneiden.

In vielen Bereichen der Technik ist es oft erwünscht, eine Flüssigkeit mit einem oder mehreren anderen Stoffen zu mischen, während die Stoffe durch eine Leitung zu einer Austrittsstelle geführt werden. So werden Gase, Flüssigkeiten und sogar einige pulverförmige oder teithenförmige Feststoffe gemischt. Es sind zahlreiche Vorrichtungen zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen worden, wobei diese Vorrichtungen im allgemeinen als Rohrmischer bezeichnet werden. Eine Bauart eines Rohrmischers, die als ein statischer oder bewegungsloser Rohrmischer bekannt ist, besteht aus einem Rohr mit mehrere:n_ darin stationär angeordneten Elementen, die innerhalb des Rohres eine Mehrzahl von sich überschneidenden Strömungskanälen bilden, so daß die darin

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fliessenden Stoffe gemischt werden. Obwohl solche Vorrichtungen in zahlreichen Formen vorkommen, ist es bekannt, daß ein besonders wirksames Mittel zum Mischen von Stoffen darin besteht, die Stoffe durch spiralförmige Strömungsbahnen zu leiten, die periodisch unterteilt und in ihrer Verdrehungsrichtung umgekehrt sind. Z.B. beschreibt die US-PS 3 286 992 eine Mischvorrichtung mit einem hohlen zylindrischen Rohr und mehreren gekrümmten schaufelähnlichen Elementen, die sich in Längsrichtung innerhalb des Rohres über dessen gesamte Länge aneinandergereiht erstrecken. Die schaufelähnlichen Elemente weisen periodische Umkehrungen der Krümmung auf und sind mit den Wänden des Rohres fest verbunden. Die US-PS 3 79 4 3oo beschreibt einen Rohrmischer mit einer sich in Längsrichtung durch ein Rohr erstreckenden Achse und mehreren schaufelähnlichen Mischelementen, die spiralförmig um die Achse herum gewunden und mit dieser fest verbunden sind.

Obwohl diese bekannten Vorrichtungen im allgemeinen zufriedenstellend arbeiten, haften ihnen gewisse Nachteile an. Da jede Mischstufe in diesen Vorrichtungen aus fortlaufendem Blechmaterial hergestellt sind, ist das Ausmaß der der Flüssigkeit erteilten Drehung pro Mischstufe festgelegt. Ferner ist es nicht möglich, die Mischstufen bei den bekannten Vorrichtungen leicht einzustellen, um das Strömungsbild zu ändern und unterschiedlichen Strömungsbedingungen anzupassen. So sind unterschiedliche Mischvorrichtungen erforderlich, wenn verschiedenartigen Strömungsbedingungen entsprochen werden soll. Obwohl diese Vorrichtungen im allgemeinen zum Mischen bei laminaren Strömungsbedingungen wirksam sind, sind sie weniger effektiv bei turbulenten Strömungsbedingungen. Schließlich haben solche Vorrichtungen gewöhnlich ziemlich dauerhafte Eigenschaften und lassen sich zur Reinigung nicht leicht zerlegen. Es ist auch oft erwünscht. Flüssigkeiten in ein Rohr für Flüssigkeiten einzuspritzen oder Probeflüssigkeit, die in dem Rohr fließt, zu entnehmen. So hat

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sich die Notwendigkeit für eine Flüssigkeitseinspritz- und Probeentnahmevorrichtung entwickelt, die leicht mit einem Rohrmischer kombiniert werden und beim Mischverfahren mitwirken kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rohrmischer der eingangs erwähnten bekannten Gattung im Sinne einer Vermeidung der vorgenannten Nachteile und der Erfüllung der vorstehend erwähnten Bedürfnisse weiterzuentwickeln.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die ortsfesten Elemente aus einzelnen, die Kanäle bildenden Organen bestehen, die in Längsrichtung des Rohres aneinandergesetzt sind und die sich jeweils über ein vorbestimmtes Maß längs des Rohres erstrecken und quer zum Rohr innerhalb ihres eigenen Längenmaßes, den Strömungquerschnitt des Rohres in mehrere getrennte Teile des Strömungskanals unterteilend, geformt sind, daß die Kanalteile durch das reihenweise Aneinandersetzen der Organe zur Bildung der sich scheidenden Strömungskanäle miteinander kombinierbar sind und daß die gegenseitige Winkeleinstellung der aneinandergesetzten Organe die Bahn jedes Strömungskanals bestimmt.

Genauer gesagt ist ein Rohrmischer zum Mischen einer einzigen Flüssigkeit mit mindestens einer anderen Substanz vorgesehen. Der Mischer umfaßt ein Rohr oder eine Leitung mit einem hohlen Innenraum, der um eine mittlere Achse angeordnet ist, und eine sich in Längsrichtung durch das Rohr längs der Mittelachse erstreckende Achse. Der Mischer umfaßt auch mehrere ortsfeste Mischstufen, die sich in Reihe längs der Mittelachse erstrecken, wobei jede der Mischstufen mehrere Spiralkanäle in dem hohlen Innenraum des Rohres oder der Leitung bildet. Jede der Mischstufen umfaßt mehrere bestimmte Segmente, welche die die obenerwähnten Kanäle bildenden Organe darstellen und sich in Reihe

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längs der Mittelachse erstrecken. Der Mischer umfaßt ferner eine Vorrichtung zum Einstellen sowohl der Winkel als auch der axialen Stellung jedes Segmentes in bezug auf benachbarte Segmente entlang der Achse. Der Rohrmischer wird durch die Befestigung einer Haltevorrichtung an einem Ende der Achse, durch Anordnen von mehreren Mischelementen auf der Achse durch Aufschieben auf diese und durch die Positionierung jedes Mischelementes in einer gewünschten Winkel- und axialen Stellung auf der Achse zusammengesetzt. Eine Haltevorrichtung ist an einem zweiten Ende der Achse so befestigt, daß das Mischelement unter Druck zwischen der Haltevorrichtung und der Befestigungsvorrichtung gehalten wird. Die Achse und die Mischelemente werden dann innerhalb eines Rohres angeordnet und an. diesem so befestigt, daß eine relative axiale Bewegung zwischen beiden verhindert wird. Die Befestigungsvorrichtung kann entweder zum Einspritzen von Flüssigkeiten in das Mischrohr oder zur Entnahme von Probeflüssigkeit, die in dem Mischrohr fließt, verwendet werden. Die Befestigungsvorrichtung besteht aus einem Ring mit einer Außenseite und einem hohlen Innenraum, der die Innenseite bildet. Der Ring umfaßt mindestens eine sich radial von der Innenseite zur Außenseite erstreckende Öffnung. Ein Rohrteil erstreckt sich durch die öffnung in den hohlen Innenraum des Ringes und der Rohrteil ist an dem Ring derart lösbar befestigt, daß die radiale Stellung des Rohrteils einstellbar ist.

Wie nachstehend erklärt wird, kann der Rohrmischer gemäß der Erfindung leicht zur Verwendung sowohl unter laminaren als auch turbulenten Strömungsbedingungen angepaßt sowie leicht zusammengesetzt und für Reinigungs- und Wartungszwecke zerlegt werden. Außerdem erlaubt die Konstruktion des Rohrmischers gemäß der Erfindung eine Veränderung der Anzahl der Strömungskanäle. Die Vorrichtung ist sowohl in ihrer Konstruktion einfach als auch

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in der Herstellung wirtschaftlich und kann ohne weiteres mit einer Flüssigkeitseinspritz- und Probeentnahmevorrichtung kombiniert werden.

In der Zeichnung sind Aus f uhr ungsf omen der Lrfindung beispielsweise und schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 einen Rohrmischer in Seitenansicht, teilweise im Querschnitt,

Fig. 2 eine Endansicht eines Teils des Rohrmischers in Fig. 1,

Fig. 3 eine Endansicht eines Mischelementes,

Fig. 4 das Mischelement in Fig. 3 von der entgegengesetzten Seite,

Fig. 5 eine teilweise vergrößerte Seitenansicht des Mischelementes in Fig. 3,

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Distanzstückes,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform, teilweise im Querschnitt,

Fig. 7 A eine schematische Endansicht gemäß Schnittlinie A-A in Fig. 7,

Fig. 7 B eine schematische Endansicht gemäß Schnittlinie B-B in Fig. 7,

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Fig. 8 eine Endansicht einer Vorrichtung zum Einspritzen und Entnehmen von Flüssigkeiten in dem Mischrohr,

Fig. 8 A einen Teilquerschnitt gemäß Schnittlinie 8A-8A in Fig. 8,

Fig. 9 eine Endansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einspritzen und Probeentnehmen von Flüssigkeiten in dem Mischrohr,

Fig. 9 A die Vorrichtung in Fig. 9 in einem Querschnitt gemäß Linie 9A-9A,

Fig.Io eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einspritzen und Probeentnehmen von Flüssigkeiten in dem Mischrohr und

Fig.io A die Vorrichtung in Fig. 1o in einem Querschnitt gemäß Schnittlinie I0A-I0A.

Die in den Fig. 1 bis 5 gezeigte bevorzugte Ausführungsform des Rohrmischers wird nachstehend im einzelnen beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Rohrmischer 2o, der ein Rohr 22 mit einem hohlen Innenraum um eine Mittelachse 24,,umfaßt.Die zu mischenden Stoffe werden in einem Rohrabschnitt stromaufwährts des Rohres 22 in bekannter Weise eingeführt. Eine Achse 26 erstreckt sich in Längsrichtung durch das Rohr 22 entlang der Mittelachse 24. Auf der Achse 26 sind mehrere Mischstufen 28, 3o, 32 usw. vorgesehen, die sich in Reihe entlang der Achse innerhalb des Rohres 22 erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind sechs solcher Mischstufen vorgesehen. Indessen ist zu verstehen, daß in einem besonderen Fall die Zahl der Mischstufen

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in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu mischenden Stoffe, der gewünschten Strömung, des im Mischer gewünschten Druckabfalls und der Herstellungskosten festgelegt werden kann. Jede Mischstufe besteht aus mehreren spiralförmigen Kanälen innerhalb des hohlen Innenraums des Rohres 22. Diese spiralförmigen Kanäle erstrecken sich über die gesamte Länge jeder Mischstufe. Eines der besonders vorteilhaften Merkmale besteht darin, daß jede Mischstufe mehrere bestimmte Segmente oder Mischelemente 34 umfaßt. Jedes Segement oder jedes Mischelement 34 besitzt die Form eines Propellers und umfaßt,wie aus den Fig. 3 und 4 am besten zu ersehen ist, eine Nabe 36 und mehrere Schaufeln 38, die sich von der Nabe 36 radial nach außen erstrecken. Jede Schaufel ist spiralförmig gewunden. Der Winkel,den der Fuß jeder Schaufel 38 mit der Mittelachse bildet, ist in Fig. 5 als Winkel b bezeichnet. Der Winkel der sich radial nach außen erstreckenden Spitze der Schaufel 38 bildet mit der Mittelachse 24 in Fig. 5 den Winkel c. Der Unterschied zwischen diesen beiden Winkeln (b - c) ist der Verdrehungswinkel jeder Schaufel. In Fig. 5 beträgt der dargestellte Winkel b 15° und der Winkel c 45°, so daß der Verdrehungswinkel b - c 3o° entspricht. Der Spitzenwinkel c bestimmt die Ganghöhe jeder Mischstufe, d.h. die axiale Länge, die für eine Drehung eines Kanals über 36o° erforderlich ist, wobei der Spitzenwinkel in Verbindung mit dem Nabendurchmesser den Nabenwinkel b bestimmt. In Abhängigkeit von den zu mischenden Stoffen und dem gewünschten Druckabfall über die gesamte Länge des Rohrmischers 2o ist eine Änderung des Spitzenwinkels c im allgemeinen von 3o bis 6o° vorgesehen. Für einen gegebenen Spitzenwinkel c und eine gegebene axiale Länge pro Segment bestimmt die Zahl der Segmente 34 innerhalb jeder Mischstufe die Größe der Drehung, die der durch diese Mischstufe hindurchströmenden Flüssigkeit erteilt wird. So rufen die sieben/ in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigten

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Segmente eine Drehung von 18o° für jeden spiralförmigen Kanal innerhalb jeder Mischstufe hervor. Die axiale Länge der Segmente 34 legt den Grad der Flexibilität fest, der durch Änderung des Strömungsbildes innerhalb des Rohrmischers 2o zur Verfügung steht, so daß dementsprechend die axiale Länge der Segmente 34 gewählt werden kann. Obwohl aus Gründen einer wirtschaftlichen Konstruktion die axiale Länge jedes Segmentes 34 jeweils als gleich groß dargestellt ist, ist es verständlich, daß auch Segemente mit unterschiedlichen axialen Längen innerhalb desselben Rohrmischers vorgesehen werden können. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist der axiale· Abstand zwischen den Schaufeln benachbarter Segmente vorzugsweise auf ein Minimum reduziert, um ein Überströmen zwischen den Kanälen zu vermeiden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der axiale Abstand zwischen den Schaufeln vorzugsweise bedeutend geringer als die Dicke einer Schaufel. Die radiale Abmessung der Schaufel 38 ist so bemessen, das jede Schaufel die Innenwand des Rohres 22 berührt oder annähernd berührt. Ein geringer Zwischenraum ist zwischen den äußeren Spitzen der Schaufeln 38 und der Innenwand des Rohres 22 erwünscht, damit die gesamte Mischerkonstruktion aus dem Rohr 22 herausgezogen werden kann, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird.

Ein weiterer besonderer Vorteil besteht darin, daß jedes Segment 34 eine Vorrichtung zum Einstellen sowohl der Winkelstellung als auch der axialen Stellung jedes Segmentes in bezug auf benachbarte Segmente entlang der Achse 26 umfaßt. Die Einstellvorrichtung umfaßt die Nabe 36 und Einstellmittel an den axialen Enden der Naben zur Aufrechterhaltung einer bestimmten festgelegten Winkelbeziehung zwischen benachbarten Naben. Wie am deutlichsten aus den Fig. 3, 4 und 5 zu ersehen ist, besteht diese Einstellvorrichtung aus mehreren linearen Vorsprüngen 4o, die von den Enden der Nabe 36 axial vorspringen

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und sich radial nach außen von dem Loch in der die Achse umgebenden Nabe erstrecken sowie in gleichen Winkelabständen voneinander an einem Ende der Nabe 36 angeordnet sind. Es wird eine Anzahl von 3o Vorsprüngen bevorzugt, die jeweils in einem Abstand von 12 voneinander angeordnet sind, obwohl eine grössere oder geringere Zahl von Vorsprüngen in Abhängigkeit von der gewünschten Einstellgenauigkeit vorgesehen werden könnte. Dementsprechend ist eine Mehrzahl von linearen Einschnitten oder Nuten 42 vorgesehen, die in dem axial gegenüberliegenden Ende der Nabe 36 vorgesehen ist und sich radial nach außen von dem Loch in der die Achse 36 umgebenden Nabe erstreckt sowie in gleichen Abständen voneinander an dem Ende der Nabe 36 angeordnet ist. Die Nuten 42 sind in gleicher Weise wie die Vorsprünge 4o in Abständen von 12 voneinander angeordnet. Da beim Zusammensetzen des Rohrmischers die Naben 36 auf die Achse 26 aufgeschoben werden, ist es ersichtlich, daß, wenn benachbarte Naben in gegenseitiger Anlage angeordnet werden, die VorSprünge 4o in die Nuten 42 eingreifen und dadurch eine relative Drehung zwischen benachbarten Segmenten verhindern. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß andere Mittel zum Verhindern einer Drehung zwischen benachbarten Segmenten vorgesehen werden könnten. Z.B. könnte jede Nabe eine Gruppe von sich radial nach innen erstreckenden Schrauben umfassen, die an der Achse 26 angreifen und eine Axial- oder Winkelbewegung zwischen der Nabe 36 und der Achse 26 verhindern.

So können mehrere Segmente in bezug auf ihre axiale Stellung und ihre Winkellage auf der Achse 26 zur Bildung mehrerer spiralförmiger Kanäle angeordnet werden, die in einer ersten Richtung, z.B. wie bei der Mischstufe 28 gezeigt, drehen. In ähnlicher Weise kann eine zweite stationäre Mischstufe 3o axial neben der ersten Mischstufe 28 zur Bildung mehrerer

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spiralförmiger Kanäle angeordnet werden, die in einer zweiten Winkelrichtung drehen, die derjenigen der ersten Winkelrichtung entgegengesetzt ist. Vorzugsweise werden die Vorderkanten der Schaufeln des ersten Segmentes der Mischstufe 3o so angeordnet, daß die spiralförmigen, durch die Mischstufe 28 gebildeten Kanäle in zwei Hälften unterteilt werden. Dies ergibt im allgemeinen eine optimale Teilung des Stromes und daher eine optimale Mischung der durch das Rohr 22 gehenden Stoffe. In ähnlicher Weise ergeben aufeinanderfolgende Mischstufen im allgemeinen eine Umkehrung der Drehung der spiralförmigen Kanäle und ebenfalls eine Unterteilung der spiralförmigen Kanäle der vorhergehenden Mischstufe in zwei Abschnitte. Es ist indessen zu verstehen, daß die verschiedenen Mischstufen und Segmente in irgendeiner beliebigen Weise angeordnet werden können, die sich als wünschenswert erweist. So könnten einige Mischstufen axial benachbart angeordnet werden, ohne daß dabei eine Strömungsumkehr eintritt. Daneben kann auch der Schnittwinkel zwischen benachbarten Mischstufen verändert werden. Wie oben erwähnt wurde, kann auch die Anzahl der Mischstufen .innerhalb des Rohrmischers entsprechend den verschiedenen gewünschten StrÖmungs- und Mischcharakteristiken verändert werden.

Obwohl die Mischsegmente 34 mit drei Schaufeln gezeigt sind und daher dröi spiralförmige Kanäle innerhalb des Rohres 22 bilden, kann die Zahl der Schaufeln 38 entsprechend den Mischeigenschaften, die der Rohrmischer haben soll, verändert werden. Für die meisten Anwendungsarten reichen zwei bis vier Schaufeln aus, um die gewünschte Strömung und Mischung im Rohr 22 hervorzurufen. Bei der Ausführungsform in Fig. 1 werden drei Schaufeln bevorzugt.

Der Rohrmischer 2o umfaßt eine Befestigungsvorrichtung 44, die in Fig, 1 im Querschnitt und in Fig. 2 in einer Endansicht gezeigt ist. Die Befestigungsvorrichtung besteht aus einem Befestigungsorgan 46 mit einem äußeren Ring 48, einer Innennabe

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und mehreren Rippen 52, die sich von der Nabe 5o zu dem Ring 48 radial nach außen erstrecken. Die Zahl der Rippen 52 ist mit der Zahl der Schaufeln auf dem ersten Mischsegment identisch, wobei sie vorzugsweise mit der Vorderkante dieser Schaufeln fluchten. Obwohl der Rohrmischer zum Mischen von diesen in jeder der beiden Richtungen fließenden Flüssigkeiten geeignet ist, ist die Befestigungsvorrichtung 44 vorzugsweise an dem Einlaßende des Rohrmischers angeordnet, so daß in Fig. 1 die Strömung von rechts nach links gerichtet ist.

Das Rohr 22 umfaßt Flanschen 54, die an beiden Enden desselben befestigt sind, damit der Rohrmischer 2o mit benachbarten Rohrabschnitten verschraubt werden kann. Der äußere Ring 48 ist zwischen dem Flansch 54 und dem Flansch eines benachbarten Rohrabschnitts eingeklemmt. Die Innenfläche der Nabe 5o ist ebenso wie ein Endteil 56 der Achse 26 mit Schraubgewinde versehen. Ein Gewindepaßstück 58 ist auf das Ende 56 der Achse 26 aufgeschraubt und liegt an der Nabe 5o des Befestigungsorgans an, um eine gegenseitige axiale Bewegung zu verhindern. Das gegenüberliegende Ende der Achse 26 ist mit einem Außengewinde versehen und dient zur Aufnahme einer Haltevorrichtung 6o, welche die Mischstufen mit Druck gegen die Befestigungsvorrichtung 44 hält und dadurch eine axiale Bewegung der Mischstufen in dem Rohr 22 verhindert. Die Haltevorrichtung besteht bevorzugt aus einem Paar Muttern 62 und 64 und einem Federring 66, der auf das mit Gewinde versehene Ende 68 der Achse 26 aufgeschraubt ist, damit die Mischstufen unter Druck an der Befestigungsvorrichtung 44 anliegen.

Bei einem typischen Rohrmischer der in Fig. 1 gezeigten Bauart können die Mischer-Bestandteile aus verschiedenartigen Materialien bestehen, wobei die wichtigsten Kriterien für die Auswahl genügende Festigkeit und Starrheit sowie die Bedingung sind, daß das ausgewählte Material nicht mit den Stoffen rea-

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giert, die gemischt werden sollen. Als Material wird rostfreier Stahl bevorzugt. Außerdem werden zur wirtschaftlicheren Herstellung die Mischelemente 34 vorzugsweise gegossen. Der Durchmesser des Rohres 22 ändert sich im allgemeinen von etwa 5,o8 cm bis etwa 3o,5 cm. Die Länge des Rohres 22 entspricht im allgemeinen angenähert dem zehnfachen Rohrdurchmesser.

Der Rohrmischer 2o kann unter allen Strömungsbedingungen, d.h. bei laminarer oder turbulenter Strömung, verwendet werden. Bei laminarer Strömung bewegen sich die Flüssigkeitspartikelchen entlang von geradlinigen parallelen Bahnen in Schichten. Die Geschwindigkeit der benachbarten Schichten ist unterschiedlich. Die Viskosität der Flüssigkeit ist entscheidend und unterdrückt so jede Neigung der Strömung, in eine turbulente Strömung umzuschlagen. Bei turbulenter Strömung bewegen sich die Flüssigkeitspartikel in zufälliger Anordnung in allen Richtungen und machen es unmöglich, die Bewegung eines einzelnen Partikels aufzuzeichnen.

Ob die Strömung im laminaren oder turbulenten Bereich liegt, kann für einen Rohrmischer und eine spezifische Flüssigkeit durch Berechnung der ReynoJdsschen Zahl bestimmt werden. Die ReynoMssche Zahl ist definiert durch die Gleichung:

ρ ^KE

Hierbei ist:

R_E = ReynoHssche Zahl

V = mittlere Geschwindigkeit (cm/sec.)

d = Rohrdurchmesser in cm

P = Massendichte der Flüssigkeit in Einheiten/

cm

2 /U = absolute Viskosität in Kg sec./cm

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Wenn die ReynoHssche Zahl geringer als 2ooo ist, ist die Strömung im allgemeinen laminar. Wenn die Reynoüdssche Zahl des Rohrmischers 2o größer als 2ooo ist, ist die Strömung im allgemeinen turbulent.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Rohrmischers wird im allgemeinen für laminare Strömungsbedingungen bevorzugt. Die Winkelstellung und die axiale Stellung benachbarter Naben wird bei der Ausführungsform in Fig. 1 so eingestellt, daß der Zwischenraum zwischen den Schaufeln benachbarter Segemente auf ein Minimum reduziert ist,um dementsprechend die Mischung für den laminaren Flüssigkeitsstrom durch das Rohr 22 zu optimieren. Auf diese Weise werden bestimmte spiralförmige Kanäle von jeder Mischstufe gebildet, und es kann keine Flüssigkeit zwischen diesen Kanälen überströmen. Die Mischung wird daher durch Drehung der Flüssigkeit innerhalb des Kanals sowie durch periodische Unterteilung der Strömung bei jeder neuen Stufe hervorgerufen.

Andererseits können die Winkelstellung und die axiale Stellung der Naben in bezug auf benachbarte Naben eingestellt werden, so daß große Zwischenräume zwischen den Schaufeln benachbarter Segmente gebildet werden, wodurch die Mischung eines turbulenten Flüssigkeitsstromes durch das Rohr 22 optimal gestaltet wird. Sowohl eine Winkelverstellung als auch eine axiale Verstellung kann z.B. durch Verwendung von Einstellschrauben auf jeder Nabe und durch Änderung ihrer relativen Stellung auf der Achse vorgenommen werden, wie oben erwähnt wurde. Eine bevorzugte Form der axialen Verstellung ist jedoch in Fig. 6 dargestellt und umfaßt die Verwendung mehrerer Distanzstücke 7o. Diese Distanzstücke können irgendeine gewünschte axiale Länge haben und, wie gewünscht, zwischen benachbarten Naben innerhalb einer Mischstufe angeordnet werden, um Zwischenräume zwischen

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benachbarten Segmentschaufeln hervorzurufen. Jedes Distanzstück 7 ο wird auf die Achse 26 aufgeschoben und umfaßt Einstellmittel auf den axialen Enden zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Winkelbeziehung zwischen benachbarten Naben. Die Einstellmittel bestehen aus Vorsprüngen 72 und 74, die mit den Vorsprüngen 4o und Nuten 42 an den Naben 36 identisch sind.

Eine bevorzugte Ausfuhrungsform zum Mischen unter turbulenten Strömungsbedingungen ist in den Fig. I₁ IK und 7B gezeigt. Fig. 7 zeigt eine erste Mischstufe 8o und eine zweite Mischstufe 82. Die Mischstufen 8o und 82 trennen Mischstufen wie jene, die in Fig. 1 dargestellt sind. Die erste Mischstufe umfaßt zwei Segmente 34c und 34d ähnlich dem Segment 34, das in Fig. 1 dargestellt ist, wobei jedes Segment Schaufeln aufweist, die in einer ersten Richtung gewunden sind. Die Segmente 34c und 34d sind jedoch in einem solchen Winkelabstand zueinander angeordnet, daß große Abstände 84 zwischen benachbarten Schaufeln hervorgerufen werden. Die Abstände 84 sind in Fig. 7B besonders deutlich, welche schematisch die relative Winkelstellung der Segmente 34c und 34d zeigt. Die Winkelstellung der Segmente 34c und 34d in der Mischstufe 8o kann gegenüber der Winkelstellung der Segmente 34a und 34b in der Mischstufe, die unmittelbar stromaufwärts von der Mischstufe 8o liegt, gegensätzlich sein, wie eine überprüfung der Fig. 7A ergibt. In Fig. 7A ist ersichtlich, daß kein Winkelabstand zwischen benachbarten Segmenten 34a und 34b vorgesehen ist. Die Größe der Winkelabstände 84 kann zur Erzielung einer optimalen Mischung eingestellt werden. Indessen ist das Maß der Einstellbarkeit der Winkelabstände 84 durch die Feinheit der Einstellvorrichtung 4o und 42 begrenzt. Bei Verwendung der 12 Grad-Teilung, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, können die Winkelabstände 84 jeweils in 12 Grad-Stufen eingestellt werden.

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Die zweite Mischstufe 82 enthält Segmente 34 mit Schaufeln, die in entgegengesetzter Richtung zu derjenigen der Mischstufe 8o gewunden sind. Die Segmente 34 der Mischstufe 82 sind in ähnlicher Weise in ihrer Winkelstellung relativ zueinander versetzt, so daß Winkelabstände 84 zwischen den Schaufeln derselben hervorgerufen werden. Auf diese Weise ermöglichen die ziemlich kurzen spiralförmigen Kanäle, die von den Mischstufen 8o und 82 gebildet werden, eine bemerkenswerte Überströmung zwischen den Kanälen, so daß die Stufen 8o und die Strömung dauernd zerhacken oder unterbrechen. Diese zerhackende oder pulsierende Wirkung ist unter turbulenten Strömungsbedingungen zur Erzielung einer befriedigenden Mischung, höchst erwünscht. Die Zahl der Segmente in den Mischstufen 8o und 82 kann in Abhängigkeit von den zu mischenden Stoffen erhöht oder verringert werden. Außerdem kann natürlich die Zahl der Turbulenz- oder Zerhackstufen 8o oder 82, die in einem vorhandenen Rohrmischer verwendet werden, ebenfalls in Abhängigkeit von den zu mischenden Stoffen gewählt werden. Es ist somit ersichtlich, daß infolge der Flexibilität in den möglichen Segmentkombinationen, die in dem Rohr 22 verwendet werden können, der Rohrmischer 2o so konstruiert werden kann, daß optimale Strömungsbedingungen für beliebige,darin zu mischende Stoffe erzielt werden können.

Der Rohrmischer kann in vorteilhafter Weise besonders leicht zusammengesetzt und zerlegt werden. Um den Rohrmischer zusammenzusetzen, wird die Befestigungsvorrichtung 44 an dem Ende 56 der Achse 26 befestigt. Zu diesem Zweck wird das Paßstück 58 auf das Ende 56 der Achse 26 bis zur Anlage an dem Innenteil der Nabe 5o aufgeschraubt. Mehrere Mischelemente oder Segmente 34 werden dann auf die Achse 26 aufgeschoben. Falls ein axialer Abstand beliebiger Segmente von benachbarten Segmenten erwünscht ist, kann ein Distanzstück 7o auf die Achse 26 aufgeschoben werden. Jedes Segment 34 wird dann in einer gewünschten Winkel-

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stellung und axialen Stellung auf der Achse 26 angeordnet. Nachdem die gewünschte Anzahl von Elementen auf der Achse aneinandergefügt wurde, wird die Haltevorrichtung 60 an dem Ende 68 der Achse 26 so angeordnet, daß die verschiedenen Elemente unter Druck zwischen der Haltevorrichtung 60 und der Befestigungsvorrichtung 44 gehalten werden. Dies wird durch Aufschieben des Federringes 66 gegen das letzte Element auf der Achse und durch Aufschrauben der Muttern und 64 in Anlage an das Ende 68 der Achse 26 erreicht. Natürlich kann bis zu einem gewissen Ausmaß die Folge der insoweit beschriebenen Schritte geändert werden. So können z.B. zuerst die Mischelemente auf der Achse und erst anschließend die Befestigungsvorrichtung und die Haltevorrichtung 60 hinzugefügt werden. Oder die Haltevorrichtung kann an dem Ende 68 der Achse 26 befestigt werden, bevor die Befestigungsvorrichtung 44 angebracht wird.

Die Achse 26 mit den darauf angebrachten Mischelementen wird daraufhin in dem Rohr 22 angeordnet. Wie vorher erwähnt wurde, ist zwischen den freien Enden der Schaufeln 38 und der Innenseite des Rohres 22 genügend freier Raum, damit die gesamte Einrichtung in das Rohr 22 hinein- - und aus diesem herausgeschoben werden kann. Die Achse 26 mit den darauf angebrachten Mischelementen wird dann innerhalb des Rohres so befestigt, daß eine relative axiale Bewegung zwischen der Mischvorrichtung und dem Rohr 22 verhindert wird. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, daß die Befestigungsvorrichtung 44 in einem Ende des Rohres gelagert und mit diesem fest verbunden ist. Erreicht wird dies durch Festklemmen der Befestigungsvorrichtung 44 zwischen Flanschen 54 des Rohres 22 und dem Flansch eines benachbarten Rohrabschnitts.

Der Rohrmischer kann ferner mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Flüssigkeiten in die Flüssigkeitsleitung und

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zur Entnahme einer Probe von in der Leitung strömender Flüssigkeit verbunden werden. Eine erste Ausfuhrungsform einer solchen Vorrichtung zeigen die Fig. 8 und 8A. Eine Vorrichtung 1oo zur Entnahme und zum Einspritzen von Flüssigkeiten ist konstruktiv ähnlich dem Befestigungsorgan 46 in Fig. 1 und dient zur Verwendung als Befestigungsorgan, wie es ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist. Die Vorrichtung 1oo umfaßt einen Außenring 1o2, der einen Rahmen oder ein Gestell bildet. Der Außenring 1o2 besitzt eine zylindrische Außenseite 1o4 und einen hohlen Innenraum, der von einer zylindrischen Innenseite 1o6 gebildet wird, die zur Anordnung um die Mittelachse 24 dient. Eine Nabe 1o8 ist ebenfalls um die Mittelachse herum angeordnet und mit einem Ende der Achse 26 fest verbunden. Mehrere Rippen 11o sind mit der Nabe 1o8 und der Innenseite 1o6 des Außenrings 1o2 verbunden. Die Rippen erstrecken sich von der Nabe 1o8 radial nach außen und unterteilen das hohle Innere des Außenringes 1o2 in mehrere Strömungskanäle. Wie in Verbindung mit dem Befestigungsring in Fig. 1 erwähnt wurde, sind diese Strömungskanäle gegenüber den spiralförmigen Kanälen der ersten Mischstufe 28 so ausgerichtet, daß sie die spiralförmigen Kanäle kontinuierlich fortsetzen. In dem Außenring 1o2 sind Mittel angeordnet, durch die jeder der Strömungskanäle in Flüssigkeitsverbindung mit einer Stelle außerhalb der Außenseite 1o4 des Außenrings 1o2 gebracht werden kann. Wie Fig. 8 und 8A zeigen, setzen sich diese Mittel zur Herstellung dieser Flüssigkeitsverbindung aus mehreren Öffnungen 112 in dem Außenring 1o2 zusammen, die sich von der Innenseite 1o6 zur Außenseite 1o4 radial nach außen erstrecken. Der Teil der Öffnung 112, der der Außenseite 1o4 am nächsten liegt, umfaßt vorzugsweise einen Gewindeteil 114 zur Befestigung eines Rohres in der Öffnung 112, so daß Flüssigkeit in die Strömungskanäle gleitet und aus diesen entnommen werden kann. Vorzugsweise ist eine Öffnung 112 für jeden Strömungskanal vorgesehen, jedoch kann, falls gewünscht, eine größere oder

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geringere Zahl derselben verwendet werden.

Fig. 9 und 9A zeigen eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Einspritzen und Entnehmen von Flüssigkeit. Die in diesen Fig. gezeigte Ausführungsform ist in jeder Hinsicht mit der in Fig. 8 und 8A gezeigten mit der Ausnahme identisch, daß die Vorrichtung 12o zum Einspritzen und Entnehmen von Flüssigkeit,die in den Fig. 9 und 9A gezeigt ist, außerdem mehrere Rohrteile 122 aufweist, die sich durch jede öffnung 112 in die Strömungskanäle erstrecken. Jeder Rohrteil 122 ist ' mit dem Außenring 1o2 durch eine übliche Druckarmatur 124 lösbar verbunden, so daß die radiale Stellung jedes Rohrteiles 122 einstellbar ist. Das Ende jedes Rohrteiles, das sich in den Strömungskanal erstreckt, ist vorzugsweise mittels eines Absperrgliedes 126 geschlossen. In der Seite jedes Rohrteiles 122 befindet sich indessen eine Öffnung 128, die das Einspritzen und das Entnehmen von Flüssigkeit in einer zur Strömungsrichtung innerhalb des Kanals parallelen Richtung erlaubt. Zum Einspritzen von Flüssigkeit in den Strömungskanal wird die Öffnung 128 im allgemeinen stromabwärts von dem Rohrteil 122 vorgesehen. Zur Entnahme einer Probe von der in dem Strömungskanal befindlichen Flüssigkeit kann der Rohrteil 122 um 18o° gedreht werden, so daß die öffnung 128 auf der stromaufwärts liegenden Seite des Rohrteiles 122 liegt. Der Rohrteil 122 kann auch als Druckfühler verwendet werden.

In den Fig. 1o und 1oA ist eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zum Einspritzen und Entnehmen von Flüssigkeit dargestellt. Hier ist die Flüssigkeitseinspritz- und Entnahmevorrichtung 13o mit den in den Fig. 8 und 9 gezeigten Vorrichtungen mit der Ausnahme identisch, daß ein Rohrteil 132 sich durch jede Öffnung 112 in jeden Strömungskanal erstreckt. Wie im Fall der

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Ausfuhrungsform in Fig. 9 sind die Rohrteile 132 mit dem Außenring 1o2 durch eine Druckarmatur 124 lösbar verbunden, so daß die radiale Stellung jedes Rohrteiles 132 einstellbar ist. Die Rohrteile 132 unterscheiden sich jedoch von den Rohrteilen 122 insofern, als das Ende jedes Rohrteiles 132, das sich in den Strömungskanal erstreckt, offen ist, so daß in einer zur Strömungsrichtung in dem Kanal senkrechten Richtung Flüssigkeit eingespritzt und entnommen werden kann. Der Rohrteil 132 ist auch als Druckfühler nützlich. Es ist verständlich, daß, obwohl jede der Vorrichtungen zum Einspritzen und Entnehmen von Flüssigkeit, die in den Fig. 8, und 1o gezeigt sind, jeweils nur mit gleichen Flüssigkeitsverbindungsmitteln gezeigt sind, irgendeine beliebige Kombination der drei Flüssigkeitsverbindungsmittel an einem einzigen Außenring 1o2 verwendet werden kann.

Es ist ersichtlich, daß der Rohrmischer gemäß der Erfindung für die Verwendung bei entweder laminaren oder turbulenten Strömungsbedingungen leicht angepaßt werden kann. Dies ist der Fall, weil die einzelnen Mischelemente des Rohrmischers gemäß der Erfindung zur Bildung zahlreicher unterschiedlicher Mischbahnen zusammengesetzt und angeordnet werden können. Ferner kann einfach durch die Verwendung von Elementen, die eine größere oder geringere Zahl von Schaufeln besitzen, die Zahl der Strömungskanäle innerhalb des Rohrmischers ebenfalls variiert werden. Der Rohrmsicher ist verhältnismässig einfach in der Konstruktion und billig in der Herstellung. Die Bestandteile des Rohrmischers können leicht zusammengesetzt und für Reinigung und Ersatz zerlegt werden, was zur Wirtschaftlichkeit seines Betriebs beiträgt. Schließlich kann die Vorrichtung zum Einspritzen und Entnehmen von Flüssigkeit leicht mit dem Rohrmischer kombiniert werden und mit diesem bei einem Mischprozeß zusammenarbeiten.

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e e r s e i \ e

Claims

Patentanwälte

Dipl.-Ing DipL-Ctiem Dipl -InaΛ O 1 1 A Q Q

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leisifr

Ernsbergers trasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: G 1421 14. März 1978

GENERAL SIGNAL CORPORATION

High Ridge Park

Stamford, Connecticut 06094 , . V.St.A.

Patentansprüche

Rohrmischer, bestehend aus einem Rohr und darin angeordneten ortsfesten Elementen, die innerhalb des Rohres mehrere Strömungskanäle bilden, die sich zum Mischen von in den Strömungskanälen strömenden Stoffen überschneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfesten Elemente aus einzelnen, die Kanäle bildenden Organen (34) bestehen, die in Längsrichtung des Rohres (22) aneinandergesetzt sind und die sich jeweils über ein vorbestimmtes Maß längs des Rohres erstrecken und quer zum Rohr innerhalb ihres eigenen Längenmaßes,den Strömungsquerschnitt des Rohres in mehrere getrennte Teile des Strömungskanals unterteilend, geformt sind, daß die Kanalteile durch das reihenweise Aneinandersetzen der Organe (34) zur Bildung der sich schneidenden Strömungskanäle miteinander kombinierbar sind, und daß die gegenseitige Winkeleinstellung der aneinandergesetzen Organe (34) die Bahn jedes Strömungskanals bestimmt.

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2. Rohrmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kanäle bildende Organ (34) aus einem Körperteil

(36) und mehreren Schaufeln (38) besteht, die sich im allgemeinen von jenem zur Bildung der Strömungskanäle nach außen erstrecken.

3. Rohrmischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der an sich bekannten, im allgemeinen spiralförmigen Strömungskanäle jede Schaufel (38) von ihrem an dem Körperteil (36) befestigten Fuß bis zu ihrem freien Ende die Form einer Spiralwindung aufweist.

4. Rohrmischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der an sich bekannten Strömungskanäle, die in verschiedenen Richtungen spiralförmig verlaufen, unterschiedliche, Kanäle bildende Organe (34) Schaufeln (38) mit unterschiedlich gerichteten Spiralwindungen aufweisen.

5. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperteil (36) jedes Kanäle bildenden Organs (34) als eine Nabe ausgebildet ist, durch die das Organ (34) auf einer Achse (26) sowohl axial als auch in seiner Winkelstellung bewegbar befestigt ist und daß Befestigungsvorrichtungen (44, 6o) zum Halten der Organe (34) in ihren eingestellten axialen Lagen und Winkeleinstellungen auf der Achse (26) vorgesehen sind.

6. Rohrmischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Achse (26) an einem Befestigungsorgan (46) befestigt ist, welches von einem Ende des Rohres (22) abgestützt ist und daß eine Haltevorrichtung (6o) für das andere Ende der Achse (26) mit dem Befestigungsorgan (46) zur Befestigung der Kanäle bildenden Organe (34) zusammenwirkt, die in ihrer axialen Stellung und ihrer Winkeleinstellung auf der Achse (24) fixiert sind.

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7. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verriegelungs- und Einstellvorrichtung (4o, 42) an aneinanderliegenden Seiten benachbarter, Kanäle bildender Organe (34) von aus diesen zusammengesetzten Reihen zur Aufrechterhaltung der festgelegten gegenseitigen Winkelbeziehung der benachbarten Organe (34) vorgesehen ist.

8. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reihenweise' Anordnung der Kanäle bildenden Organe (34) Distanzstücke (7o) zur Bestimmung der Längsstellung eines oder mehrerer Organe (34) in bezug auf das Rohr umfaßt.

9. Rohrmischer nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß Verriegelungs- und Einstellvorrichtungen (72, 74) auf den Oberflächen der Abstandsstücke (7o) vorgesehen sind, die an den Kanäle bildenden Organen (34) einer Reihenanordnung derselben anliegen, wobei die Einstellvorrichtung (72, 74) an den Abstandsstücken (7o) zur Verriegelung der Einstellvorrichtung (4o, 42) an den Organen (34) vorgesehen ist.

1o. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte, Kanäle bildende Organe (34) in ihrer Winkellage zueinander derart ausgerichtet sind, daß der Abstand zwischen benachbarten, den Strömungskanal bildenden Teilen derselben zur Optimierung der Mischung für einen laminaren Strom der Stoffe durch das Rohr (22) minimiert ist.

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11. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte, Kanäle bildende Organe (34) in ihrer Winkellage zueinander derart ausgerichtet sind, daß große Zwischenräume zwischen benachbarten,den Strömungskanal bildenden Teilen derselben zur Optimierung der Mischung eines turbulenten Stromes der Stoffe durch das Rohr (22) gebildet sind.

12. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle bildenden Organe (34) eine erste und eine zweite Mischstufe bilden, von denen jede mehrere Organe (34) zur Bildung an sich bekannter spiralförmiger Strömungskanäle umfaßt, die in der ersten Stufe im Vergleich zu der zweiten Stufe entgegengesetzt gerichtet sind, und daß die Ausgänge jedes Strömungskanals in der ersten Stufe an die Eingänge zu mehreren Strömungskanälen in der zweiten Stufe angrenzen.

13. Rohrmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen (1oo) zur Herstellung einer Flüssigkeitsverbindung eines oder mehrerer. Strömungskanälen mit einer außerhalb des Rohres liegenden Stelle vorgesehen sind.

14. Rohrmischer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung (1oo) zur Herstellung der Flüssigkeitsverbindung aus einem Ring (1o2) besteht, der an einem Ende des Rohres (22) befestigt und mit darin befindlichen Teilen (11o) versehen ist, die Strömungskanäle in dem Ring bilden, die kontinuierlich in die von den Organen (34) in dem Rohr (22) gebildeten Strömungskanäle übergehen, und daß mindestens eine öffnung (112) durch den Ring (1o2)

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zur Herstellung einer Flüssigkeitsverbindung mit einem entsprechenden, darin befindlichen Strömungskanal vorgesehen ist.

15. Rohrmischer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (11o) sich zwischen einer mittleren Nabe (1o8) und der Innenseite des Ringes (1o2) erstreckende Rippen sind, welche die Nabe (1o8) abstützen, die ein Ende der Achse (26) trägt, auf der die Kanäle bildenden Organe (4) sitzen.

16. Rohrmischer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrteile (122, 132) in mindestens einer Öffnung (112) befestigt sind und sich in die entsprechende Strömungsbahn erstrecken, die innerhalb des Ringes (1o2) zum Hindurchleiten von Flüssigkeit in beiden Richtungen gebildet ist.

17. Rohrmischer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohtteil (122) eine öffnung innerhalb des entsprechenden Strömungskanals in dem Ring (1o2) aufweist, welche die Entnahme einer Probe oder das Einspritzen von Flüssigkeit in einer vorbestimmten, zur Richtung des Flüssigkeitsstromes in dem entsprechenden Strömungskanal relativen Richtung ermöglicht.

18. Rohrmischer nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Länge, mit der das Rohrteil (122, 132) in den entsprechenden Strömungskanal vorsteht, einstellbar ist.

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