DE10009326A1 - Kavitationsmischer - Google Patents

Kavitationsmischer

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DE10009326A1
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Abstract

Eine Vorrichtung zum Vermischen der Komponenten eines hindurchströmenden Massestromes stellt eine besonders homogene und beliebig lange stabile Mischung bereit, auch wenn im allgemeinen nicht oder nur schwerst mischbare Komponenten gemischt werden. Die Vorrichtung weist einen in einer Durchflußkammer angeordneten schwer umströmbaren Körper auf, der mindestens teilweise in einem sich in Strömungsrichtung aufweitenden Teil der Durchflußkammer angeordnet ist, so daß die Kavitationswirkung und Mischwirkung des von dem schwer umströmbaren Körper erzeugten Superkavitationsfeldes wesentlich verstärkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermischen der Komponenten eines hindurchströmenden Massestromes, wo­ bei die Komponenten insbesondere fest, flüssig oder gasför­ mig sein können, mittels einem hydrodynamischen Superkavi­ tationsfeld, um eine Mischung, insbesondere eine Emulsion oder Suspension, zu erzeugen.
Sinkt in einer dahinströmenden Flüssigkeit aufgrund von einer Stromeinengung lokal der sogenannte statische Druck unter den Dampfdruck, so tritt Kavitation auf, das heißt, es bilden sich in der Flüssigkeit dampfgefüllte Gasblasen, die auch Kavitationsblasen genannt werden. Nimmt danach der statische Druck wieder zu und übersteigt den Dampfdruck, so brechen diese Gasblasen implosionsartig (praktisch mit Schallgeschwindigkeit) zusammen.
Dieser Mechanismus der hydrodynamisch erzeugten Kavita­ tion fällt unter den Gültigkeitsbereich der Bernoulli- Gleichung. Gemäß dieser gilt allgemein (vgl. "Gerthsen Phy­ sik", Helmut Vogel, ISBN 3-540-59278-4, 18. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1995, Kapitel 3.3.6, Strömung idealer Flüssigkeiten, Seite 118 bis 121) auf jeder Potentialfläche der äußeren Volumenkräfte in einem dahinströmenden Stromfaden, im Falle der Schwerkraft also überall auf gleicher Höhe,
p + 1/2ρv2 = p0 = const,
wobei p0 der Druck ist, der in der ruhenden Flüssigkeit herrschen würde, zum Beispiel der Luftdruck plus dem hydro­ statischen Druck ρgh. Die Summe aus dem statischen Druck p und dem Staudruck 1/2ρv2 hat in gegebener Tiefe überall den gleichen Wert.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit den Wert vk = √2p0/ρ erreicht oder überschreitet, so wird der statische Druck null oder negativ. Solche Geschwindigkeiten (im Wasser ist vk = 14 m/s) werden an allen schnellen Wasserfahrzeugen, bei langsamen zumindest an den Schrauben, ferner an Turbi­ nenschaufeln und in Flüssigkeitspumpen leicht erreicht. Schon etwas vorher sinkt der statische Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, der einige 102 Pa beträgt, und Kavitation tritt auf, insbesondere wenn mikroskopische Luftbläschen als Keime bereits vorhanden sind, was schwer vermeidbar ist.
Die Erscheinung der hydrodynamischen Kavitation besteht also in der Bildung von mit einem Dampfgasgemisch gefüllten Hohlräumen, den sogenannten Kavitationsblasen, im Inneren eines schnell dahinströmenden Flüssigkeitsstromes oder an Randbereichen eines in dem dahinströmenden Flüssigkeits­ strom angeordneten schlecht umströmbaren Körpers, jeweils infolge einer durch die Flüssigkeitsbewegung (Strömung) bedingten lokalen Druckabsenkung. Zur hydrodynamischen Kavitation kommt es so in allen hydraulischen Systemen, in denen große Druckunterschiede auftreten, wie Turbinen, Pumpen und Hochdruckdüsen.
Bei der Ultraschallkavitation werden in der Unterdruck­ phase eines Schallfeldes die Zerreißspannungen des Materi­ als überschritten, so daß wieder die mit Dampf bzw. Gas gefüllten Kavitationsblasen entstehen. In der Sonochemie macht man sich die extremen Bedingungen beim Kollaps (Druck, Temperatur) der im Ultraschallfeld erzeugten Kavi­ tationsblasen zunutze. Auch der physikalische Effekt der Sonoluminiszenz ist mit der Dynamik von Kavitationsblasen und deren Erzeugung mittels einem Ultraschallfeld verbun­ den.
Bei den vorerwähnten Beispielen handelt es sich um Kavitation, die durch eine im Wasser bzw. einer Flüssigkeit anliegende Zugspannung im Strömungs- oder im akustischen Feld entsteht. Eine weitere Art Kavitation zu erzeugen besteht darin, lokal Energie in der Flüssigkeit zu deponie­ ren, zum Beispiel durch einen Funken oder einen Laserpuls. Einzelheiten zu letzterem findet man beispielsweise in der Diplomarbeit von Olgert Lindau, "Dynamik und Lumineszenz lasererzeugter Kavitationsblasen", 1998, angefertigt im Dritten Physikalischen Institut der Georg-August-Universi­ tät zu Göttingen.
Bekanntermaßen kann man Kavitation und die damit ein­ hergehenden Effekte zum Vermischen der Komponenten eines dahinströmenden Massestromes verwenden. Somit kann man bei­ spielsweise zwei verschiedene Flüssigkeiten oder eine Flüs­ sigkeit und einen Feststoff (Teilchen) oder eine Flüssig­ keit und ein Gas miteinander vermischen. Die vermischende, emulgierende und dispergierende Einwirkung der Kavitation beruht auf einer großen Anzahl von Krafteinwirkungen, die von zusammenstürzenden Kavitationsblasen herrühren, auf das zu behandelnde Gemisch von Komponenten. Das Implodieren von Kavitationsblasen in der Nähe der Grenzfläche zweier Phasenbereiche flüssig-fest wird von der Dispergierung der festen Phase (Teilchen) in der flüssigen Phase (Flüssigkeit) und von der Bildung einer Suspension beglei­ tet. Analog wird das Implodieren von Kavitationsblasen in der Nähe der Grenzfläche zweier verschiedener flüssiger Phasen von der Zerkleinerung der einen Flüssigkeit in der anderen und der Bildung einer Emulsion begleitet. In beiden Fällen geschieht die Zerstörung der Grenzfläche der durch­ gehenden Phasen, das heißt, deren Erosion, und die Bildung eines Dispersionsmediums und einer dispersen Phase.
In US-A-3834982 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Suspension von Fasermaterialien beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse mit einer Eingangsöff­ nung für die Zufuhr von Komponenten einer Fasermaterial­ suspension und einer Ausgangsöffnung für die Entnahme der kavitierten Fasermaterialsuspension sowie einer Durchfluß­ kammer mit einem in ihr platzierten, aus einem Stück beste­ henden, schwer umströmbaren zylindrischen Körper (der wegen seiner Funktion allgemein auch Kavitator genannt wird). Der Komponentenstrom durchströmt die Durchflußkammer und den darin plazierten schwer umströmbaren zylindrischen Körper, der quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist, so daß die­ ser eine lokale Verjüngung der Fasermaterialsuspension erzeugt. Somit wird hinter dem Zylinder ein hydrodynami­ sches Kavitationsfeld ausbildet, d. h. der Zylinder erzeugt einen räumlichen Bereich in dem dahinströmenden Massestrom, in dem in einem dynamischen Prozeß Kavitationsblasen ent­ stehen, vorhanden sind und zusammenstürzen (implodieren).
Infolge der Form des einen schwer umströmbaren, zylin­ derförmigen Körpers in US-A-3834982 entsteht hinter diesem aufgrund der durch ihn bedingten Querschnittsverjüngung des Strömungsquerschnitts nur ein einziges Kavitationsfeld. Somit bewirkt diese Vorrichtung nur eine relativ schlechte Vermischung der Komponenten der Fasermaterialsuspension in Bezug auf die Homogenität (Teilchengröße) und Langzeit­ stabilität der erzeugten Dispersion. Die Intensität des mit der Vorrichtung nach US-A-3834982 erzeugten Kavitations­ feldes ist zum Mischen bzw. Dispergieren von schwer ver­ mischbaren bzw. dispergierbaren Phasen zu gering.
Der in SU-A-1088782 beschriebene Kavitationsmischer hat zusätzlich eine Einrichtung, mit der das Kavitationsfeld mit weiteren mittels einer Luftdruckquelle erzeugten Druck­ schwingungen überlagert werden kann.
Der in SU-A-1678426 offenbarte Kavitationsmischer hat einen axial elastisch gelagerten schwer umströmbaren Körper, der eigene Resonanzschwingungen im Flüssigkeits­ medium hervorrufen soll.
In SU-A-1720695 ist ein weiterer Kavitationsmischer beschrieben, der als schwer umströmbaren Körper zwei Halb­ kugeln hat, die zwischen sich eine rechteckige Nut begren­ zen. Die Pulsation des Stromes in der Nut soll auf den Kavitationsbereich einwirken und dadurch die Häufigkeit von Kavitationsblasen und deren Intensität erhöhen.
Die vorgenannten drei Druckschriften offenbaren somit Kavitationsmischer, bei denen die Mischwirkung dadurch ver­ bessert werden soll, daß versucht wird, die Kavitations­ wirkung durch weitere Abrißkanten oder Überlagerung mit Druckwellen, die weiteren Abrißkanten entsprechen, zu ver­ bessern.
In der DE-A-36 10 744 ist eine Vorrichtung zur direkten Belüftung und Umwälzung, insbesondere von Abwässern, genannt, die mittels einer Flügelschraube ein Kavitations­ feld erzeugt und Luft im Wasser untermischt.
US-A-4127332 offenbart eine weitere Mischvorrichtung, die zu diesem Zweck Kavitation verwendet.
Im Vergleich zu den oben genannten Kavitationsmischern, bei denen jeweils nur ein Kavitationsfeld erzeugt wird, um zwei verschiedene Komponenten eines Systems zu mischen, ist die Kavitationswirkung und somit Mischwirkung in Kavitati­ onsmischern, die ein sogenanntes Superkavitationsfeld er­ zeugen, das heißt, eine Überlagerung von mehreren Kavitati­ onsfeldern, wesentlich verbessert.
So ist in DE-A-44 33 744 ein Kavitationsmischer offen­ bart, der als schwer umströmbaren Körper (Kavitator) einen Kegelstumpf besitzt, der aus mehreren schwer umströmbaren Teilkörpern gebildet ist, zwischen denen sich jeweils ein durchströmbarer Hohlraum befindet. Dieser schwer umström­ bare Körper ist in einer festen Position in einer Durchlaß­ kammer angeordnet, die - in Strömungsrichtung gesehen - im gesamten Bereich des schwer umströmbaren Körpers einen kon­ stanten kreisförmigen Querschnitt besitzt.
Ein erstes Kavitationsfeld wird auf herkömmliche Weise durch Umströmen des Gesamtkörpers erzeugt. Darüberhinaus sind die durchströmbaren Hohlräume eine weitere Quelle für Kavitationsfelder, die durch die Strömung in diesen Hohl­ räumen entstehen, die insbesondere auch nach außen in die um den Gesamtkörper fließenden Strömungen gerichtet sind, so daß die Kavitationsblasen in den durchströmbaren Hohl­ räumen auch nach außen hin in das herkömmliche Kavitations­ feld übergehen. Die räumliche Überlagerung der einzelnen Kavitationsfelder erzeugt ein sogenanntes Superkavitations­ feld und bewirkt eine Vervielfachung der Kavitationswirkung jedes einzelnen Kavitationsfeldes.
Hydrodynamische Superkavitationsgeneratoren wie in DE-A-44 33 744 stellen effektive Mischvorrichtungen dar, die dazu verwendet werden können, ein aus mehreren Komponenten bestehendes hindurchströmendes Fluid zu bearbeiten, bei­ spielsweise zu vermischen, zu emulgieren, zu homogenisie­ ren, zu dispergieren oder aufzulösen, oder Flüssigkeiten mit Gasen zu sättigen. Superkavitationsgeneratoren sind universelle Vorrichtungen zur Bearbeitung eines breiten Spektrums von Produkten in der chemischen, petrochemischen, kosmetischen und pharmazeutischen Industrie, sowie in der Keramik- und Nahrungsmittelindustrie und in anderen Wirt­ schaftszweigen.
Typische technische Grunddaten eines hydrodynamischen Superkavitationsgenerators und Parameter des zu bearbeiten­ den Mediums sind:
Produktivität: 0,1 bis 500 m3/h
Eingangsdruck: 0,3 bis 1,2 MPa
Milieuviskosität: 0,001 bis 30 Pa.s
Milieutemperatur: 5 bis 250°C
Länge insgesamt: 50 bis 800 mm
Durchmesser der Arbeitskammer: 15 bis 300 mm
Masse: 0,4 bis 40 kg
minimale Nutzungsdauer: 30000 h
Die Misch- und Homogenisierungsprozesse im Mischer basieren auf der Nutzung der hydrodynamischen Kavitation und sind an solche physikalischen Effekte wie Druckwellen, Kumulation, selbsterregte Schwingungen, Vibrationsturbuli­ sation und gleichgerichtete Diffusion, beispielsweise, gebunden, die beim Kollaps von Kavitationsblasen entstehen. Die volumetrische Konzentration der Kavitationsblasen in den Apparaturen erreicht Größenordnungen von 1 bis 1010 l/m3. Beim Kollaps einer jeden Kavitationsblase werden Druckimpulse initiiert, die 103 MPa und mehr erreichen, ebenso wie bei der Implosion einer Kavitationsblase in der Blase Temperaturen von rund 5000 K auftreten (vgl. zum Bei­ spiel VDI-Nachrichten, 1. April 1999, Nr. 13, "Schadstoffe im Ultraschall"). Derartig hohe Druckimpulse tragen bei der großen volumetrischen Konzentration der Bläschen im Ar­ beitsbereich des Mischers dazu bei, daß die einer Volumen­ einheit des zu bearbeitenden Mediums zugeführte Impuls­ leistung 104 bis 105 kW/m3 beträgt. Zu erwähnen ist auch, daß in der Arbeitskammer des Mischers eine Vakuumzone mit einem Druck von 4 bis 10 kPa erzeugt wird, was es möglich macht, verschiedene flüssige und gasförmige Komponenten di­ rekt in den Mischer zu injizieren.
In EP-A-0644271 ist ebenfalls ein hydrodynamischer Superkavitationsmischer offenbart, der einen schwer um­ strömbaren Körper enthält, der aus mindestens zwei Elemen­ ten besteht, welche die Formierung eigener Kavitations­ felder sicherstellen. Die Elemente bzw. Teilkörper, aus de­ nen der schwer umströmbare Körper besteht, können die Form von hohlen abgestumpften Kegeln oder Halbkugeln besitzen, und können zudem jeweils an einer hohlen Stange befestigt sein. Diese Stangen sind so ausgestaltet, daß ineinander­ gesteckt und jeweils mit individuellen Vorrichtungen ver­ bunden werden können, so daß sie axial relativ zueinander verschoben werden können. Auf diese Weise können die ein­ zelnen, den schwer umströmbaren Körper bildenden Elemente, in Strömungsrichtung axial gegeneinander verschoben und so in verschiedenen Abständen relativ zueinander angeordnet werden. Auf diese Weise kann nicht nur durch die Form der Elemente sondern auch durch ihren relativen Abstand zuein­ ander das von jedem Element hervorgerufene hydrodynamische Kavitationsfeld in seinen Eigenschaften variiert und einge­ stellt werden, was sich wiederum auf die Überlagerung der einzelnen Kavitationsfelder, das heißt, das Superkavitati­ onsfeld des Kavitationsmischers entsprechend auswirkt.
EP-A-644271 lehrt auch, daß es zur Optimierung der Pro­ zesse der Dispergierung und Emulgierung zweckmäßig ist, in den hydrodynamischen Strom von Komponenten zumindest in einem Abschnitt seiner lokalen Einengung - oder unmittelbar dahinter - eine gasförmige Komponente einzuführen. Die Ele­ mente des schlecht umströmbaren Körpers können auch aus einem elastischen nichtmetallischen Material bestehen. Der Kavitationsmischer kann zudem einen weiteren zusätzlichen schwer umströmbaren Körper enthalten, welcher hinter dem ersten schwer umströmbaren Körper, dem er ähnelt, in Strö­ mungsrichtung angeordnet ist und mit ihm durch ein elasti­ sches Element verschiebbar längs der Achse des Durchfluß­ kanals verbunden ist.
Über die verstellbaren Elemente des schwer umströmbaren Körpers bietet das Verfahren bzw. die Vorrichtung nach EP-A-0644271 die Möglichkeit, die Intensität des entstehen­ den hydrodynamischen Superkavitationsfeldes in Anpassung an die konkreten technologischen Prozeßabläufe zu regeln. Allerdings ist der schwer umströmbare Körper als ganzes an einem festen Ort in einem Durchflußkanal angeordnet, der in dem Bereich des schwer umströmbaren Körpers und in Strömungsrichtung gesehen zudem einen konstanten kreis­ förmigen Querschnitt aufweist.
Obwohl die hydrodynamischen Superkavitationsgeneratoren nach dem Stand der Technik im allgemeinen gute Ergebnisse liefern, besteht doch ein Bedarf an Verbesserungen in vie­ lerlei Hinsicht.
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Vermischen der Bestandteile bzw. Komponen­ ten eines hindurchströmenden Massestromes mittels minde­ stens einem hydrodynamischen Superkavitationsfeld bereitzu­ stellen, derart, daß der behandelte Massestrom extrem homo­ gen ist und dies auch über einen beliebig langen Zeitraum hinweg bleibt, auch wenn die Vorrichtung zum Vermischen von üblicherweise schwerst mischbaren Komponenten verwendet wird, die mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht oder nur schlecht und/oder nur für relativ kurze Zeit gemischt werden können.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Vermischen der Bestandteile bzw. Kom­ ponenten eines hindurchströmenden Massestromes mittels min­ destens einem hydrodynamischen Superkavitationsfeld bereit­ zustellen, ohne daß Zusatzstoffe (wie Additive oder Emulga­ toren) verwendet werden, um die Mischwirkung bzw. das Mischergebnis zu verbessern bzw. überhaupt eine Mischung zu erhalten.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Vermischen der Komponenten eines hin­ durchströmenden Massestromes bereitzustellen, wobei die Mischwirkung bzw. das Mischergebnis geregelt an die Art und Konzentrationen der zu vermischenden Komponenten angepaßt werden kann, mit anderen Worten, an die Eigenschaften des speziellen jeweils zu homogenisierenden Systems und an ent­ sprechende Prozeß- und Ergebnisparameter.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Vermischen der Komponenten eines hin­ durchströmenden Massestromes bereitzustellen, bei dem die kinetische Energie der Strömung auf optimale Weise zur Durchmischung bzw. Homogenisierung ausgenutzt wird.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 29.
Eine Vorrichtung zum Vermischen der Bestandteile bzw. Komponenten eines hindurchströmenden Massestromes gemäß der vorliegenden Erfindung - im folgenden Superkavitations­ mischer genannt - umfaßt ein Gehäuse mit mindestens einer Eingangsöffnung und mindestens einer Ausgangsöffnung. In die mindestens eine Eingangsöffnung wird der gesamte oder ein Teil des zu vermischenden Massestromes eingeleitet, und nach der Beaufschlagung mit einem hydrodynamischen Super­ kavitationsfeld wird der Massestrom durch die mindestens eine Ausgangsöffnung ausgeleitet. Als wesentliche Bestand­ teile umfaßt der Superkavitationsmischer eine Durchflußkam­ mer, die Teil des Gehäuses ist, und einen schwer umström­ baren Körper, der mittels einer Halterung in der Durchfluß­ kammer angeordnet ist. Der schwer umströmbare Körper besitzt mindestens zwei schwer umströmbare Teilbereiche, die jeweils für eine lokale Strömungseinengung im durch die Durchflußkammer hindurchströmenden Massestrom im Bereich des schwer umströmbaren Körpers sorgen. Der Querschnitt der Durchflußkammer, der senkrecht zu ihrer Mittelachse genom­ men wird, wird wenigstens in einem Teil des Bereichs der Durchflußkammer, der den schwer umströmbaren Körper umgibt, in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer hin­ durchströmenden Massestromes größer. Dieser sich aufwei­ tende Teil der Durchflußkammer ist wesentlich für die Erzeugung des erfindungsgemäßen höchsteffektiven Superkavi­ tationsfeldes.
Die schwer umströmbaren Teilbereiche und der schwer um­ strömbare Körper als ganzes sind die Quellen für mehrere Kavitationsfelder, die sich überlagern und somit ein Super­ kavitationsfeld bilden. Das von dem Superkavitationsmischer gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Superkavi­ tationsfeld ist dazu geeignet, verschiedenste Komponenten besonders effektiv zu vermischen bzw. zu homogenisieren. Mit dem Superkavitationsmischer können somit selbst norma­ lerweise schwerst mischbare Komponenten - ohne weitere Zusatzstoffe wie zum Beispiel Emulgatoren - in besonders homogene und extrem langzeitstabile Mischungen übergeführt werden. Sind die Komponenten flüssig, so erhält man Emul­ sionen, ist eine der Komponenten flüssig und die andere fest, das heißt, besteht beispielsweise aus Teilchen mit einer bestimmten Größenverteilung, so erhält man Suspensio­ nen, in denen die Teilchengröße beträchtlich verringert ist. Der erfindungsgemäße Superkavitationsmischer kann des weiteren dazu verwendet werden, um gasförmige und flüssige Komponenten zu vermischen bzw. eine gasförmige Komponente besonders effektiv in einer oder mehreren flüssigen Kompo­ nenten aufzulösen.
Einige Beispiele für mögliche Mischungen sind Wasser- Diesel-Suspensionen, die Homogenisierung von Lebensmitteln oder Farben, oder die Einmischung bzw. Auflösung von Chlor­ gas in Wasser.
Es versteht sich, daß die zu vermischenden Bestandteile bzw. Komponenten nicht notwendigerweise jeweils von ver­ schiedener atomarer bzw. molekularer Zusammensetzung sein müssen. Beispielsweise können zwei zu vermischende Kompo­ nenten jeweils dieselbe chemische Zusammensetzung aufwei­ sen, nur daß sich die eine Komponente in der flüssigen Phase und die andere Komponente in der festen Phase befindet. Zwei oder mehr zu vermischende Komponenten können auch jeweils dieselben chemischen Bestandteile enthalten, nur jeweils in anderen Konzentrationen. Insbesondere ist eben­ falls eine Rückführung bzw. Mehrfachbehandlung eines be­ reits einmal mit dem erfindungsgemäßen Superkavitations­ mischer behandelten mehrkomponentigen Massestroms möglich, falls dies aus prozeßtechnischen oder anderen Gründen vor­ teilhaft ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, mehrere erfindungsgemäße Superkavitations­ mischer zu koppeln, derart, daß ihre jeweiligen Superkavi­ tationsfelder in einem gemeinsamen Bereich einer gemeinsa­ men Durchflußkammer einander überlagert werden, wodurch die Mischwirkung der einzelnen Superkavitationsfelder wiederum potenziert wird. Ein weiterer Vorteil so einer Ausgestal­ tung ist, daß man bei gleicher Gesamtdurchflußmenge - im Vergleich zu einem entsprechend dimensionierten einzelnen Superkavitationsmischer mit einer großen, leistungsstarken Pumpe - dann nur mehrere kleine Pumpen benötigt, was prozeßtechnisch viel effektiver ist.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 kann der schwer umströmbare Körper des Superkavitationsmischers axial entlang der Richtung der Mittelachse der Durchflußkammer verschoben werden. Dadurch ist es möglich, den schwer umströmbaren Körper in dem min­ destens einen sich aufweitenden Bereich der Durchflußkammer gezielt so zu positionieren, daß in Abhängigkeit von der Art der zu vermischenden Komponenten eine optimale Kavita­ tionswirkung bzw. ein optimales Superkavitationsfeld be­ reitgestellt wird, so daß eine optimal homogene und lang­ zeitstabile Mischung erreicht werden kann. Es versteht sich, daß auf diese Weise auch weitere Prozeßparameter oder Ergebnisparameter eingestellt bzw. eingeregelt werden kön­ nen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 oder 4 besteht entsprechend darin, daß der schwer umstömbare Teilkörper aus einer Vielzahl einzelner schwer umströmbarer Teilkörper (die den schwer umströmbaren Teilbereichen entsprechen) besteht, die so miteinander ver­ bunden und angeordnet sind, daß sie alle - oder nur einige oder nur einer - unabhängig voneinander entlang der Rich­ tung der Mittelachse der Durchflußkammer verschoben werden können. Dadurch kann das Superkavitationsfeld und somit die Mischwirkung des Superkavitationsmischers ebenfalls so ein­ geregelt werden, daß in Abhängigkeit von den Prozeßparame­ tern und der Art der zu vermischenden Komponenten ge­ wünschte Eigenschaften des mehrkomponentigen Massestromes wie Homogenität und Stabilität optimal eingeregelt werden können.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist mindestens einer der schwer umström­ baren Teilbereiche bzw. Teilkörper des schwer umströmbaren Körpers so ausgebildet, daß sein Querschnitt, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer genommen wird, an dem Ende des Teilbereiches bzw. Teilkörpers, das der Ein­ gangsöffnung des Gehäuses zugewendet ist, kleiner als an dem Ende, das der Ausgangsöffnung des Gehäuses zugewendet ist.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 16 bis 18 weist die Durchflußkammer des Superkavitationsmischers eine Ausbuchtung ihrer Wandung auf, die beispielsweise in einer wulstartigen Ausstülpung rundherum entlang ihres Umfanges ausgebildet ist. Diese Ausbuchtung kann an einer entsprechenden Stelle in Bezug auf den schwer umströmbaren Körper angeordnet werden, derart, daß das Superkavitationfeld gezielt beeinflußt und seine Mischwirkung optimiert wird. Es ist offensichtlich, daß, wenn der schwer umströmbare Körper entlang der Rich­ tung der Mittelachse der Durchflußkammer verschoben werden kann, auch wenn dies gegebenenfalls nur für einen Teilkör­ per von ihm gilt, die Mischwirkung des Superkavitationsfel­ des in Verbindung mit dieser Ausbuchtung besonders gut auf die Art der zu vermischenden Komponenten und weiteren Pro­ zeßparameter eingestellt und optimiert werden kann.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 19 und 20 besteht der schwer umström­ bare Körper mindestens teilweise aus einem elastischen nichtmetallischen Material bzw. weist einen entsprechenden Überzug auf. Dadurch wird eine zerstörerische Rückwirkung der Kavitationsfelder auf die Apparatur an sich vermieden.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 21 kann ein Teil des zu vermischenden Masse­ stromes oder eine bestimmte Komponente davon über eine ent­ sprechend ausgestaltete Halterung und einen entsprechend ausgestalteten schwer umströmbaren Körper, die jeweils ent­ sprechende hindurchgehende Hohlräume aufweisen, direkt in die Durchflußkammer eingeleitet werden. Dadurch kann das Superkavitationsfeld bzw. seine Mischwirkung wiederum ge­ zielt beeinflußt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Art der zu vermischenden Komponenten, derart, daß eine optimale Mischwirkung erreicht wird.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 26 kann man sowohl den schwer umströmbaren Körper als auch den Massestrom in der Durchflußkammer jeweils mit Ultraschall beaufschlagen. Dadurch kann der schwer umströmbare Körper beispielsweise in Schwingungen versetzt werden, was die Ausbildung der Kavitationsfelder bzw. deren Mischwirkung verstärken kann. Entsprechend kann die Beaufschlagung des Massestromes mit Ultraschall zusätz­ liche Ultraschallkavitation bewirken und die vom schwer um­ strömbaren Körper schon selbst erzeugten Kavitationsfelder bzw. deren Mischwirkung verstärken.
Entsprechende Effekte kann man auch erhalten, wenn man gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 27 den schwer umströmbaren Körper direkt und/oder einen Teil der Durchflußkammer oder die ganze Durchflußkam­ mer in Ultraschallschwingungen versetzt.
Unter dem Begriff der Verstärkung der Mischwirkung oder der Kavitationsfelder wird hier auch jegliche Modifikation der Eigenschaften der Kavitationsfelder (beispielsweise die Größenverteilung der Kavitationsblasen, ihre räumliche Ver­ teilung oder ihre potentielle Energie vor ihrer Implosion) verstanden, die dazu beiträgt, daß der zu vermischende Massestrom nach der Behandlung bessere oder speziell erwünschte Eigenschaften aufweist.
In diesem Sinne kann gemäß der vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung nach Anspruch 28 der durch die Durch­ flußkammer hindurchströmende Massestrom auch entsprechend mit Laserlicht entsprechender Intensität und/oder Wellen­ länge in einem entsprechenden oder mehreren entsprechenden räumlichen Bereichen beaufschlagt werden.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Superkavitationsmischers.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Querschnittsansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 1b eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die eine Modifikation der ersten Ausführungsform von Fig. 1a darstellt;
Fig. 2a eine Querschnittsansicht eines beispielhaften schwer umströmbaren Körpers für den erfindungsgemäßen Superkavitationsmischer;
Fig. 2b eine Querschnittsansicht einer Modifikation des beispielhaften schwer umströmbaren Körpers von Fig. 2a;
Fig. 2c eine Querschnittsansicht einer weiteren Modifi­ kation des beispielhaften schwer umströmbaren Körpers von Fig. 2a bzw. Fig. 2b;
die Fig. 3a bis 3f Querschnittsansichten für bei­ spielhafte schwer umströmbare Teilbereiche des schwer um­ strömbaren Körpers, insbesondere seines der Ausgangsöffnung des Gehäuses zugewandten Endteilbereichs;
die Fig. 4a und 4b schematische Draufsichten in Strömungsrichtung auf beispielhafte schwer umströmbare Körper;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaf­ ten Wendelvorrichtung mit wendelartig ausgebildeten Elemen­ ten, die am Anfang und/oder am Ende der Durchflußkammer angeordnet werden kann, um den hindurchströmenden Masse­ strom zusätzlich zu vermischen; und
Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht einer bei­ spielhaften Kopplung von zwei erfindungsgemäßen Superkavi­ tationsmischern, derart, daß sich ihre jeweiligen Superka­ vitationsfelder räumlich überlagern.
In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 100 jeweils eine Vorrichtung zum Vermischen der Komponenten eines hin­ durchströmenden Massestromes mittels einem hydrodynamischen Superkavitationsfeld, d. h. einer Überlagerung von mehreren Kavitationsfeldern. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden Superkavitationsmischer 100 genannt.
Die Fig. 1a und 1b dienen nur dazu, die wesentlichen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Superkavitations­ mischers 100 zu veranschaulichen, sind aber ansonsten nicht einschränkend zu verstehen.
Fig. 1a ist eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Superkavitationsmischers 100 gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in Fig. 1a zu sehen ist, umfaßt der erfindungsge­ mäße Superkavitationsmischer 100 ein Gehäuse 1, das eine Eingangsöffnung 2 und eine Ausgangsöffnung 3 aufweist. Durch die Eingangsöffnung 2 wird ein Teil oder der gesamte zu vermischende, mehrkomponentige Massenstrom zugeführt, typischerweise mittels einer Pumpvorrichtung (nicht ge­ zeigt). Durch die Ausgangsöffnung 3 wird der gemischte Mas­ sestrom dann entnommen. Die zu vermischenden Komponenten des Massestroms können fest, flüssig oder gasförmig sein, das heißt, der nach der Behandlung entnommene gemischte Massestrom ist beispielsweise eine Emulsion, eine Suspen­ sion, eine mit gelöstem Gas gesättigte Flüssigkeit oder andere, im wesentlichen fluide Mischungen bzw. Gemenge.
Das Gehäuse 1 umfaßt des weiteren eine Durchflußkammer 4 und einen darin mittels einer Halterung 6 angeordneten schwer umströmbaren Körper 8. Die Halterung 6 ist im Fall der ersten Ausführungsform so ausgestaltet und angeordnet, daß sie durch eine weitere Öffnung 5 in dem Gehäuse 1 in das Gehäuse hineinragt, derart, daß der schwer umströmbare Körper 8 in der Durchflußkammer 4 positioniert ist.
In der in Fig. 1a schematisch gezeigten Ausführungsform besteht die Durchflußkammer 4, der schwer umströmbare Körper 8 und die Halterung 6 jeweils aus einem rotationssymme­ trischen Körper, die so angeordnet sind, daß ihre Symme­ trieachsen zusammenfallen, das heißt, gleich der Mittel­ achse der Durchflußkammer 4 sind.
Insbesondere besteht in Fig. 1a die Halterung 6 im wesentlichen aus einer hohlen Stange, d. h. weist einen hin­ durchgehenden Hohlraum 63 mit einer Einlaßöffnung 61 und einer Auslaßöffnung 62 auf. Desgleichen besitzt der schwer umströmbare Körper 8 eine zentrale, hindurchgehende Bohrung 83 entlang seiner Mittelachse mit der zugehörigen Einlaß­ öffnung 81 und Auslaßöffnung 82. Die Auslaßöffnung 62 der Stange bzw. Halterung 6 ist mit der Einlaßöffnung 81 des schwer umströmbaren Körpers verbunden, und die Halterung 6 und der schwer umströmbare Körper 8 sind so in dem Gehäuse 1 bzw. der Durchflußkammer 4 angeordnet, daß ihre Mittel- bzw. Symmetrieachsen zusammenfallen und die Auslaßendöff­ nung 82 des schwer umströmbaren Körpers 8 der Ausgangsöff­ nung 3 des Gehäuses 1 zugewandt ist.
Unter der Strömungsrichtung des durch die Durchflußkam­ mer 4 hindurchströmenden Massestromes sei hier und im fol­ genden immer die mittlere oder effektive Richtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes ver­ standen. Das heißt, über Verwirbelungen und ähnliches sei hinweggemittelt. Ist die Durchflußkammer 4 - wie in Fig. 1a und 1b gezeigt - rotationssymmetrisch oder im wesentlichen rotationssymmetrisch, so ist die Strömungsrichtung gleich der Richtung der Symmetrieachse bzw. Mittelachse der Durch­ flußkammer 4.
Wie in Fig. 1a gezeigt bzw. angedeutet, besitzt der schwer umströmbare Körper 8 mindestens zwei schwer umström­ bare Teilbereiche 80, zwischen denen sich jeweils ein durchströmbarer Zwischenraum 87 befindet. Die schwer um­ strömbaren Teilbereiche 80 bewirken jeweils eine lokale Strömungseinengung in der Durchflußkammer 4. Somit erzeugt der schwer umströmbare Körper, wenn er von dem zu vermi­ schenden Massestrom in der Durchflußkammer 4 umströmt wird, mehrerer Kavitationsfelder, die sich einander überlagern, und somit insbesondere in Strömungsrichtung hinter dem schwer umströmbaren Körper 8 ein Superkavitationsfeld bilden.
In Fig. 2a ist eine vergrößerte schematische Quer­ schnittsansicht in Längsrichtung des beispielhaften schwer umströmbaren Körpers 8 der beispielhaften ersten Ausfüh­ rungsform von Fig. 1a gezeigt.
Mit Ausnahme der letzten zwei - in Strömungsrichtung gesehen - schwer umströmbaren Teilbereiche 80 besitzten die schwer umströmbaren Teilbereiche 80 in Fig. 1a bzw. 2a die Form eines Kegelstumpfes, um Kavitationsfelder zu erzeugen. Wie insbesondere in Fig. 2a zu sehen ist, sind die letzten zwei schwer umströmbaren Teilbereiche 80 des schwer um­ strömbaren Körpers 8 (d. h. die zwei schwer umströmbaren Teilbereiche, die von allen schwer umströmbaren Teilberei­ chen der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses 1 am nächsten liegen) zu diesem Zweck zusammen mit ihrem zugehörigen dazwischenliegenden Zwischenraum 87 als Gesamtheit so aus­ gestaltet, daß diese Gesamtheit einen Querschnitt besitzt (der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer 4 genommen wird), der bzw. dessen Fläche in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Masse­ stromes gesehen stetig erst größer, dann kleiner und dann wieder größer wird. Mit anderen Worten, der äußere Umfang (die Umfangslinie) des Endes des schwer umströmbaren Kör­ pers 8 gemäß der ersten Ausführungsform besitzt zwei lokale Minima und zwei lokale Maxima. Zudem besitzt der letze schwer umströmbare Teilbereich 80 hier einen hohlen Endbe­ reich 84, in den auch die obige Endauslaßöffnung 82 einmün­ det. Der Querschnitt des hohlen Endbereich 84 bzw. der Aus­ höhlung 84, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchfluß­ kammer genommen wird, wird in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes stetig größer.
Die Kegelstümpfe 80 sind jeweils so hintereinander angeordnet sind, daß die Fläche ihres Querschnitts, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer 4 genommen wird, in Strömungsrichtung gesehen größer wird. Mit anderen Worten, die (abgestumpfte) Spitze eines jeden Kegelstumpfes ist dem durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestrom zugewandt, während die Basis eines jeden Kegel­ stumpfes der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses am nächsten liegt. Dies gilt sinngemäß auch für die zwei letzten schwer umströmbaren Teilbereiche 80 in der ersten Ausführungsform.
Weiterhin sind die Kegelstümpfe so ausgestaltet und angeordnet, daß - in Strömungsrichtung gesehen - jeder nachfolgende Kegelstumpf etwas weiter - in Richtung senk­ recht zu der Mittelachse der Durchflußkammer 4 - in die Strömung hineinragt als die vorhergehenden Kegelstümpfe. Dies trifft analog auch wieder auf die zwei letzten schwer umströmbaren Teilbereiche 80 zu.
Wie in Fig. 1a gezeigt ist, weist die Durchflußkammer 4 in der ersten Ausführungsform einen rotationssymmetrischen, sich in Strömungsrichtung allmählich erweiternden Durch­ flußkammerabschnitt 41 auf, dessen Querschnittsfläche senk­ recht zur Mittelachse der Durchflußkammer 4 kreisförmig ist und in Strömungsrichtung stetig zunimmt, und in dem der schwer umströmbare Körper 8 angeordnet ist, derart, daß er ein hocheffektives Superkavitationsfeld erzeugt.
Wie in Fig. 1a gezeigt ist, weist die Durchflußkammer 4 des weiteren an ihrem Anfang, das heißt an dem Ende, das der Eingangsöffnung 2 des Gehäuses 1 am nächsten liegt, einen sich in Strömungsrichtung verengenden Durchflußkam­ merabschnitt 42 auf, an den sich der sich erweiternde Durchflußkammerabschnitt 41 anschliesst. Die Querschnittsfläche senkrecht zur Mittelachse der Durchflußkammer 4 des sich verengenden Durchflußkammerabschnitts 42 ist kreisför­ mig und nimmt in Strömungsrichtung stetig zu, so daß eine Strömungseinengung bereitgestellt ist und die Bildung der Kavitationsfelder im nachfolgenden Bereich der Durchfluß­ kammer 4 mittels des darin angeordneten schwer umströmbaren Körpers 8 weiter optimiert wird.
Fig. 1b ist eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Superkavitationsmischers 100 gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der Erfindung, die eine Modifikation der beispielhaften ersten Ausfüh­ rungsform von Fig. 1a darstellt. Insbesondere unterscheidet sich die zweite Ausführungsform der Erfindung von der ersten nur durch zwei Modifikationen.
Die erste Modifikation betrifft den schwer umströmbaren Körper 8, der in der zweiten Ausführungsform so ausgestal­ tet ist, daß jeder seiner schwer umströmbaren Teilbereiche 80, der die Form eines Kegelstumpfes besitzt, als Teilkör­ per 10 ausgebildet ist. Entsprechend sind die - in Strö­ mungsrichtung gesehen - zwei letzten schwer umströmbaren Teilbereiche 80 der ersten Ausführungsform nun als ein ein­ ziger Teilkörper 10 ausgebildet. Die durchströmbaren Zwischenräume 87 zwischen den schwer umströmbaren Teilbe­ reichen 80 bzw. Teilkörpern 10 werden mittels Abstands­ haltern 9 realisiert. Als Gesamtheit besitzt der schwer um­ strömbare Körper 8 der zweiten Ausführungsform insbesondere dieselbe Form wie der der ersten Ausführungsform. Man ver­ gleiche hierzu auch Fig. 2b, die eine vergrößerte schemati­ sche Querschnittsansicht in Längsrichtung des beispielhaf­ ten schwer umströmbaren Körpers 8 der beispielhaften zweiten Ausführungsform von Fig. 1b darstellt, mit der ana­ logen Fig. 2a.
Die zweite Modifikation betrifft die Durchflußkammer 4, die in der zweiten Ausführungsform zusätzlich eine Ausbuchtung 20 aufweist. Wie in Fig. 1b gezeigt, schliesst sich an den sich erweiternden Durchflußkammerabschnitt 41 der Durchflußkammer 4 ein Bereich der Durchflußkammer an, der eine rotationssymmetrische Ausbuchtung 20 in der Wandung der Durchflußkammer 4 entlang ihres Umfanges aufweist, wobei sich diese Ausbuchtung 20 teilweise im Endbereich des schwer umströmbaren Körpers 8 befindet. Die durch die Aus­ buchtung 20 bedingte Vergrößerung des Querschnitts der Durchflußkammer 4 in Strömungsrichtung kann die Kavitati­ onswirkung und Mischwirkung des Superkavitationsmischers 100 gemäß der zweiten Ausführungsform weiter verstärken und optimieren.
Als Modifikation der zweiten Ausführungsform - und auch entsprechender anderer Ausführungsformen, wie sie im folgenden diskutiert werden - kann sich die Ausbuchtung 20 auch an anderer Stelle befinden, d. h. sie kann in Strömungsrichtung gesehen auch erst direkt hinter - oder ein kleines Stück hinter - dem schwer umströmbaren Körper 8 beginnen, oder sie kann auch vollständig im Bereich des schwer umströmbaren Körpers 8 - beispielsweise um seine Mitte oder sein Ende herum - angeordnet sein.
Es versteht sich weiter, daß die Ausbuchtung 20 in einer entsprechenden Ausführungsform nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch sein muß, selbst wenn die Durchfluß­ kammer 4 rotationssymmetrisch ist, ebenso wie die Ausbuch­ tung 20 nicht ununterbrochen bzw. vollständig entlang des Umfangs der Durchflußkammer 4 ausgebildet sein muß. Form und Anordnung einer - oder auch mehrerer - Ausbuchtungen 20 ergibt sich allein daraus, daß die Kavitationswirkung und Mischwirkung des erfindungsgemäßen Superkavitationsmischers 100 verstärkt und optimiert wird.
An dieser Stelle sei betont, daß jede mögliche Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Superkavitationsmischers 100 sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß der Querschnitt der Durchflußkammer 4, der senkrecht zu ihrer Mittelachse genommen wird, wenigstens in einem Teil des Bereichs, der den schwer umströmbaren Körper 8 umgibt, in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurch­ strömenden Massestromes größer wird. Dieser sich aufwei­ tende Teil der Durchflußkammer 4 ist wesentlich für die Erzeugung des erfindungsgemäßen höchsteffektiven Superkavi­ tationsfeldes, da die dann von dem schwer umströmbaren Körper 8 hervorgerufenen Kavitationsfelder eine besonders hohe Kavitationswirkung bzw. Mischwirkung bekommen, das heißt, ihre Überlagerung - das Superkavitationsfeld - ist dazu in der Lage, eine besonders homogene und besonders langzeitstabile Mischung der Komponenten eines durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes zu erzeu­ gen, verglichen mit den bisher nach dem Stand der Technik bekannten Mischungen, selbst für nach dem Stand der Technik schwerst mischbare Komponenten, und auch ohne Zusatzstoffe, die eine Mischwirkung besitzen (Additive), wie sich experi­ mentell gezeigt hat.
Und dieser sich aufweitende Teil der Durchflußkammer 4 kann allgemein so realisiert werden, daß die Durchflußkam­ mer 4 gemäß der vorliegenden Erfindung als ganzes oder nur in einem Teilbereich oder in mehreren, nicht notwendiger­ weise zusammenhändenden Teilbereichen, der bzw. die jeweils wenigstens einen Teil des schwer umströmbaren Körpers 8 um­ geben, so ausgestaltet ist, daß der Querschnitt der Durch­ flußkammer 4 in diesem sich aufweitenden Teil der Durch­ flußkammer 4 in Strömungsrichtung des durch die Durchfluß­ kammer 4 hindurchströmenden Massestromes größer wird.
Dieser sich aufweitende Teil der Durchflußkammer 4 kann insbesondere durch einen sich stetig erweiternden, rota­ tionssymmetrischen Durchflußkammerabschnitt 41 wie in Fig. 1a gezeigt realisiert werden, oder allein durch einen vor­ deren Teilbereich einer Ausbuchtung 20, oder durch eine Kombination zweier solcher Bereiche 41 und 20 wie in Fig. 1b gezeigt. Andere, nicht notwendigerweise rotationssymme­ trische oder sich ganz um die Durchflußkammer 4 herum erstreckende entsprechende einzelne oder verteilte Teilbe­ reiche einer Durchflußkammer 4, sofern diese alle nur we­ nigstens teilweise im Bereich des schwer umströmbaren Kör­ pers 8 liegen und ihr Querschnitt in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes größer wird, sind ebenfalls geeignet.
Im folgenden werden nun weitere Modifikationen der vor­ stehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben werden, die alle unab­ hängig voneinander realisiert und kombiniert werden können und dann jeweils wieder eine weitere mögliche Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Superkavitationsmischers 100 darstellen.
Im Gegensatz zu den beispielsweise in Fig. 1a und 1b schematisch gezeigten ersten und zweiten Ausführungsformen muß weder die Rotationssymmetrie der Durchflußkammer 4 noch die des schwer umströmbaren Körpers 8 noch die der Halte­ rung 6 ebenso wie deren gemeinsame rotationssymmetrische Anordnung für alle Ausführungsformen der Erfindung gegeben sein, sondern nur insoweit, als dies für die Erzeugung der entsprechenden Kavitationsfelder erforderlich ist.
Der schwer umströmbare Körper erzeugt, wenn er von dem zu vermischenden Massestrom in der Durchflußkammer 4 um­ strömt wird, mehrerer Kavitationsfelder, die sich einander überlagern, und somit insbesondere in Strömungsrichtung hinter dem schwer umströmbaren Körper 8 ein Superkavitati­ onsfeld bilden. Es sei angemerkt, daß sich dieses Superka­ vitationsfeld - je nach spezieller Ausgestaltung des schwer umströmbaren Körpers 8, der Durchflußkammer 4 und ihrer relativen Anordnung zueinander - auch teilweise oder voll­ ständig um den schwer umströmbaren Körper 8 herum erstreckt.
Die Halterung 6 für den schwer umströmbaren Körper 8 ist in der ersten und zweiten Ausführungsform so ausgestal­ tet (als Stange) und angeordnet, daß sie durch eine Öffnung 5 in dem Gehäuse 1 in das Gehäuse und die Durchflußkammer 4 hineinragt. Die Halterung 6 kann aber im Prinzip beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise als torusartige Vorrich­ tung, die einem Rad mit Speichen ähnelt, derartig, daß sie vollständig in der Durchflußkammer 4 des Gehäuses 1 ange­ ordnet werden kann, beispielsweise an einem Teilbereich der Innenwand der Durchflußkammer 4, so ähnlich wie in DE-A-44 33 744.
Ferner, obwohl in Fig. 1a und 1b nicht gezeigt bzw. nicht zu sehen, kann die Halterung 6 eine Vorrichtung um­ fassen bzw. mit einer Vorrichtung verbunden sein, die dazu geeignet ist, den schwer umströmbaren Körper 8 - alleine oder in Verbindung mit der Halterung 6 - im Bereich der Durchflußkammer 4 entlang der Richtung der Mittelachse der Durchflußkammer zu verschieben. Somit kann der schwer um­ strömbare Körper 8 als ganzes relativ in Bezug auf den sich aufweitenden Teil der Durchflußkammer 4 (beispielsweise realisiert durch einen sich erweiternden Durchflußkammerab­ schnitt 41 und/oder eine Ausbuchtung 20 der Durchflußkammer 4) verschoben und positioniert werden, derart, daß die Mischwirkung des vom schwer umströmbaren Körper 8 hervorge­ rufenen Superkavitationsfeldes optimal eingestellt werden kann, sowohl in Bezug auf die Art der zu vermischenden Kom­ ponenten als auch in Bezug auf weitere Prozeßparameter und/oder Zielparameter des gewünschten gemischten Masse­ stromes.
Eine besonders einfache Einstellung bzw. Einregelung des Superkavitationsfeldes auf diese Weise kann erreicht werden, wenn ein Teil oder die ganze Durchflußkammer 4 durchsichtig, beispielsweise aus entsprechendem Kunststoff, ausgestaltet ist, so daß man direkt visuell diese Einstel­ lung überprüfen bzw. vornehmen kann.
Wie schon in Verbindung mit der ersten und zweiten Aus­ führungsform diskutiert, kann der schwer umströmbare Körper 8 aus einem einzigen Stück oder aus einer Vielzahl von schwer umströmbaren Teilkörpern 10 bestehen, die entspre­ chend angeordnet sind. Es sei betont, daß diese 'Zerlegung' des schwer umströmbaren Körpers 8 beliebig vorgenommen werden kann, sofern nur seine Gesamtform dazu geeignet ist - in Verbindung mit der entsprechend gestalteten Durchfluß­ kammer 4 - das erfindungsgemäße Superkavitationsfeld zu erzeugen. Insbesondere kann jeder schwer umströmbare Teil­ körper 10 einen oder mehrere der schwer umströmbaren Teil­ bereiche 80 des schwer umströmbaren Körpers 8 umfassen.
Wie in Fig. 2b gezeigt, können dabei die einzelnen Teilkörper 10 mittels Abstandshalter 9 in einem jeweils vorbestimmten Abstand voneinander entlang der Mittelachse des schwer umströmbaren Körpers 8 angeordnet werden. Die durchströmbaren Zwischenräume 87 zwischen den schwer um­ strömbaren Teilbereichen 80 bzw. schwer umströmbaren Teil­ körpern 10 eines schwer umströmbaren Körpers 8 können so individuell eingestellt werden, so daß die Mischwirkung des erzeugten Superkavitationsfeldes verstärkt bzw. optimiert werden kann.
Die Abstandshalter 9 können aus einem elastischen Mate­ rial, beispielsweise Kunststoff, bestehen, so daß das durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmende Medium, die erzeug­ ten Kavitationsfelder und die Teilkörper 10 in einer rück­ gekoppelten Beziehung stehen, derart, daß die Teilkörper 10 in Schwingungen versetzt werden, so daß wiederum die Kavi­ tationswirkung bzw. Mischwirkung der Kavitationsfelder ver­ stärkt bzw. optimiert wird.
Eine weitere Möglichkeit in diesem Zusammenhang ist beispielsweise die Teilkörper 10 eines schwer umströmbaren Körpers 8 jeweils an dem Ende einer hohlen Stange zu befe­ stigen bzw. anzuordnen, so daß der schwer umströmbare Kör­ per durch entsprechendes Ineinanderstecken der einzelnen Stangen, deren Querschnitt jeweils entsprechend zunimmt, realisiert werden kann, ähnlich wie in EP-A-0644271. Solche wie gerade beschrieben ineinandergesteckten Stangen mit jeweils einem Teilkörper 10 an ihrem Ende können dann unab­ hängig voneinander entlang der Richtung ihrer Mittelachse verschoben werden. Mit anderen Worten, jeder der Teilkörper 10 eines so ausgestalteten schwer umströmbaren Körpers 8 kann unabhängig von allen anderen entlang der Richtung der Mittelachse der Durchflußkammer 4 verschoben werden.
In dem zuletzt beschriebenen Beispiel stellt die Gesamtheit der hohlen Stangen die Halterung 6 dar. Dem Fachmann fallen aber ohne weiteres auch andere Ausgestal­ tungen des schwer umströmbaren Körpers 8 und der Halterung 6 ein, derart, daß ein aus mehreren Teilkörpern 10 beste­ hender schwer umströmbare Körper 8 so ausgestaltet ist, daß mindestens einer seiner Teilkörper 10 unabhängig von allen anderen entlang der Richtung der Mittelachse der Durchfluß­ kammer 4 verschoben werden kann.
Wie in den Fig. 1a, 1b, 2a und 2b zu sehen, besitzen die schwer umströmbaren Teilbereiche 80 bzw. schwer um­ strömbaren Teilkörper 10 eines schwer umströmbaren Körpers 8 typischerweise die Form eines Kegelstumpfes. Aber auch verwandte Formen wie die Form eines Kegelstumpfes mit gewellter Oberfläche oder die Form einer Halbkugel sind ebenfalls geeignet, um Kavitationsfelder zu erzeugen.
Allgemein ist jeder schwer umströmbare Teilbereich 80 bzw. schwer umströmbare Teilkörper 10 eines schwer umström­ baren Körpers 8 so ausgebildet, daß sein Querschnitt, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer genommen wird, an dem Ende des Teilkörpers 8, das der Eingangs­ öffnung 2 der Durchflußkammer 4 am nächsten liegt, kleiner ist als an dem Ende des Teilkörpers, das der Ausgangs­ öffnung 3 der Durchflußkammer 4 am nächsten liegt.
Im Fall von Kegelstümpfen oder Halbkugeln bedeutet dies, daß diese jeweils so hintereinander angeordnet sind, daß die Fläche bzw. die äußere Umfangslinie ihres Quer­ schnitts, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchfluß­ kammer 4 genommen wird, in Strömungsrichtung gesehen größer wird, wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist. Mit anderen Worten, die "Spitze" eines jeden Kegelstumpfes bzw. einer jeden Halbkugel ist dem durch die Durchflußkammer 4 hin­ durchströmenden Massestrom zugewandt, während die Basis eines jeden Kegelstumpfes bzw. einer jeden Halbkugel der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses am nächsten liegt.
Im vorhergehenden Absatz beschriebenen Beispiel können die Kegelstümpfe oder Halbkugeln auch - in Richtung entge­ gen der Strömungsrichtung gesehen (von ihrer Basis her) - ausgehöhlt sein, also die Form von hohlen Kegelstümpfen oder hohlen Halbkugeln besitzen. Dies gilt auch allgemein, d. h. die Teilbereiche 80 oder Teilkörper 10 können eben­ falls alle oder teilweise in Richtung entgegen der Strömungsrichtung gesehen ausgehöhlt sein.
Es hat sich als vorteilhaft für die Erzeugung der Kavi­ tationsfelder erwiesen, wenn der äußerste Rand eines Teil­ bereichs 80 bzw. eines Teilkörpers 10, d. h. der Randbe­ reich, der von der Mittelachse der Durchflußkammer 4 den größten Abstand besitzt und so das Ausmaß der Strömungsein­ engung bestimmt, jeweils in Richtung senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer 4 etwas weiter in den hin­ durchströmenden Massestrom hineinreicht als der äußerste Rand eines in Strömungsrichtung gesehen davor befindlichen Teilbereiches 80 bzw. Teilkörpers 10. Die Fig. 1 bis 2 zeigen entsprechende Teilbereiche 80 bzw. Teilkörper 10, auf die dies zutrifft. Es versteht sich jedoch, daß dies nicht allgemein auf jeden oder alle Teilbereiche 80 bzw. Teilkörper 10 eines schwer umströmbaren Körpers 8 zutreffen muß, sofern der schwer umströmbare Körper 8 in seiner Gesamtform immer noch - in Verbindung mit der entsprechend gestalteten Durchflußkammer 4 - das erfindungsgemäße Super­ kavitationsfeld erzeugen kann.
Um die Bildung der Kavitationsfelder und deren Misch­ wirkung zu optimieren, kann ein schwer umströmbarer Teilbe­ reich 80 oder Teilkörper 10 auch so ausgestaltet sein, daß er auf einem Teil seiner Oberfläche eine Vielzahl von Erhe­ bungen 88 aufweist. Diese Erhebungen 88 können beispiels­ weise die Form von kleinen Kegelspitzen oder eine damit verwandte Form besitzen.
Hat der Teilbereich 80 bzw. Teilkörper 10 die Form eines hohlen oder vollen Kegelstumpfes, wie in Fig. 3a schematisch im Querschnitt gezeigt, und besitzen die Erhe­ bungen 88 wiederum die Form von kleinen Kegelspitzen, so ist es vorteilhaft, wenn diese Kegelspitzen so orientiert werden, daß ihre Symmetrieachsen alle parallel zueinander und zu der Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes orientiert sind und daß jede Kegelspitze dem durch die Durchflußkammer 4 hindurch­ strömenden Massestrom zugewandt ist, wie in Fig. 3a gezeigt (in Fig. 3a entspricht die Strömungsrichtung der Richtung von links nach rechts).
Abweichend von Fig. 3a können die kleinen Erhebungen 88 natürlich auch anders orientiert und/oder ausgestaltet sein, auch in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Teil­ bereiche 80 bzw. Teilkörper 10. Vorteilhaft sind beispiels­ weise auch konzentrisch angeordnete, ringartig verlaufende Erhebungen 88 mit einer scharfen oberen Kante, die dem durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestrom jeweils ganz oder teilweise zugewandt ist.
Obwohl in den Ausführungsformen nach den Fig. 1a und 1b die Durchflußkammer 4 an ihrem Anfang, das heißt an dem Ende, das der Eingangsöffnung 2 des Gehäuses 1 am nächsten liegt, einen sich in Strömungsrichtung verengenden Durch­ flußkammerabschnitt 42 aufweist, um die Bildung der Kavita­ tionsfelder im nachfolgenden Bereich der Durchflußkammer 4 mittels des darin angeordneten schwer umströmbaren Körpers 8 zu unterstützen, ist es klar, daß dies nicht unbedingt der Fall sein muß. So kann dieser Abschnitt der Durchfluß­ kammer 4 auch zylindrisch sein oder eine andere Form, bei­ spielsweise mit konstantem Querschnitt, besitzen.
Wie schon in Verbindung mit der ersten und zweiten Aus­ führungsform beschrieben, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Ende des schwer umströmbaren Körpers 8, das heißt die zwei schwer umströmbaren Teilbereiche 80 (plus dem zugehörigen dazwischenliegenden durchströmbaren Zwischenraum 87) bzw. den Teilkörper 10, die bzw. der von allen Teilbereichen bzw. Teilkörpern der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses 1 am nächsten liegt, so auszugestalten, daß sein Querschnitt, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer 4 genommen wird, in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes gesehen erst größer und dann kleiner und dann wieder größer wird.
Beispiele für diese Ausgestaltung sind in den Fig. 3b bis 3f gezeigt, die schematische Querschnittsansichten entlang der Längsrichtung bzw. Symmetrieachse eines rotati­ onssymmetrischen Endteilbereiches bzw. Endteilkörpers eines schwer umströmbaren Körpers 8 darstellen. Wie in den Fig. 3b bis 3f zu sehen ist, nimmt bei dieser Ausgestaltung des schwer umströmbaren Körpers 8 die Fläche bzw. die äuße­ re Umfangslinie des zugehörigen Querschnitts in den Figuren von links nach rechts - was in den Fig. 1 bis 3 gleich der Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchströmenden Massestromes ist - von einem Anfangswert (lokalen Minimalwert) startend erst stetig - nicht unbe­ dingt linear - bis zu einem ersten lokalen Maximalwert zu, und dann stetig ab bis zu einem lokalen minimalen Quer­ schnittswert und von da an wiederum stetig zu bis einem globalen Maximalwert ganz am Ende des letzten Teilbereiches bzw. Teilkörpers. Es versteht sich, daß dieses Quer­ schnittsverhalten unabhängig davon ist, ob der schwer um­ strömbare Körper voll massiv ist oder eine hindurchgehende Bohrung 82 besitzt, wie in Fig. 3c, 3e und 3f bzw. in den Fig. 3b und 3d gezeigt.
Allgemein kann das Ende des schwer umströmbaren Körpers 8 massiv bzw. eben sein - wie beispielsweise in Fig. 3e - oder kann allgemein einen hohlen Endbereich 84 aufweisen, der der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses 1 zugewandt ist, wobei der Querschnitt dieses Hohlraumes, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer genommen wird, in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurch­ strömenden Massestromes stetig größer wird, wie beispiels­ weise in den Fig. 3b, 3c, 3d und 3f gezeigt. Bei dem in den Fig. 3b, 3c, 3d und 3f jeweils gezeigten rotations­ symmetrischen Ende des schwer umströmbaren Körpers 8 bedeu­ tet dies, daß der Querschnitt des Hohlraumes 84, der senk­ recht zu der Mittelachse der Durchflußkammer genommen wird, die Form eines Kreises besitzt, und daß die Fläche dieser Querschnittskreise in Strömungsrichtung stetig größer wird.
Wie in Fig. 3b und 3c gezeigt kann dabei der hohle End­ bereich 84 so ausgestaltet sein, daß jede seiner Quer­ schnittsflächen, die in Längsrichtung genommen wird und seine Symmetrieachse vollständig enthält, eine Randlinie besitzt, die in Strömungsrichtung des durch die Durchfluß­ kammer 4 hindurchströmenden Massestromes gesehen im mathe­ matischen Sinne konvex verläuft. Analog, und wie in Fig. 3d und 3f gezeigt, kann diese Randlinie im mathematischen Sinne konkav verlaufen.
Bei der Ausgestaltung des Endes des schwer umströmbaren Körpers nach Fig. 3f beachte man auch, daß hier auf einem Teil seiner Oberfläche eine Vielzahl der Erhebungen 88 angeordnet sind, entweder in der Form von kleinen Kegel­ spitzen oder in der Form von konzentrisch angeordneten, ringartig verlaufende Erhebungen mit einer scharfen oberen Kante.
Unabhängig von allen bisher diskutierten Ausgestaltun­ gen und Modifikationen in Bezug auf den schwer umströmbaren Körper 8 sollte beachtet werden, daß ein schwer umströmba­ rer Teilbereich 80 bzw. schwer umströmbarer Teilkörper 10 weder rotationssymmetrisch, noch symmetrisch in einem ande­ ren Sinne, noch durchgehend sein muß. Ähnlich wie in EP-A-644271 kann so ein schwer umströmbarer Teilbereich 80 bzw. Teilkörper 10 in Strömungsrichtung gesehen hindurchge­ hende Aussparungen aufweisen. So zeigen die Fig. 4a und 4b Beispiele für schwer umströmbare Teilbereiche 80 bzw. Teilkörper 10, in Strömungsrichtung gesehen, deren Quer­ schnitt, senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer 4 genommen, die Fläche eines Kreises besitzt, minus mehrerer Segmente bzw. Kreisabschnitte 11 und/oder minus mehrerer Sektoren bzw. Kreisausschnitte, genauer gesagt Kreisringe, 12.
Damit der schwer umströmbare Körper 8 durch die Einwir­ kung der Kavitationsfelder nicht selbst beschädigt wird, ist es vorteilhaft, wenn er mindestens teilweise aus einem elastischen nichtmetallischen Material besteht oder minde­ stens teilweise einen elastischen nichtmetallischen Überzug aufweist, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff.
Der schwer umströmbare Körper 8 und die Halterung 6 können allgemein massiv ausgebildet sein. Sie können aber auch allgemein jeweils mit einem hindurchgehenden Hohlraum 83 bzw. 63 ausgestaltet und über entsprechende Öffnungen 82 bzw. 81 miteinander verbunden sein, so daß ein Teil des zu vermischenden Massestromes nicht über die Eingangsöffnung 2 des Gehäuses 1, sondern über eine entsprechende Einlaßöff­ nung 61 der Halterung 6 und eine entsprechende Auslaßend­ öffnung 82 des schwer umströmbaren Körpers 8 direkt in die Durchflußkammer eingeführt werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der so direkt in die Durchflußkammer ein­ zuführende Teil des zu vermischenden Massestromes gasförmig ist und der andere Teil, der über die Eingangsöffnung 2 des Gehäuses 1 eingeführt wird, flüssig ist.
Zu diesem Zweck kann der schwer umströmbare Körper 8 natürlich mehr als eine Auslaßöffnung 82 aufweisen, die in Abhängigkeit von der erwünschten Mischwirkung und Kavitati­ onswirkung des entsprechenden erfindungsgemäßen Superkavi­ tationsmischers 100 auf entsprechende Weise über den gesam­ ten schwer umströmbaren Körper 8 verteilt angeordnet werden.
So ist beispielsweise in Fig. 2c ein schwer umström­ barer Körper 8 gezeigt, der zwar von der äußeren Gesamtform her dem der ersten bzw. zweiten Ausführungsform gleicht, der aber zudem einen hindurchgehenden Hohlraum 83 mit meh­ reren Auslaßöffnungen besitzt. Eine dieser Auslaßöffnungen ist die schon in den Fig. 1a und 1b gezeigte zentrale Auslaßendöffnung 82.
Weiterhin besitzt der in Fig. 2c gezeigte schwer um­ strömbare Körper 8, der im Prinzip eine Weiterbildung des in Fig. 2b gezeigten schwer umströmbaren Körpers 8 ist, einen hindurchgehenden Hohlraum 83 mit Auslaßzwischen­ öffnungen 85, die sich jeweils in einem Oberflächenteil­ bereich des schwer umströmbaren Körpers 8 befinden, der der Innenwand der Durchflußkammer 4 mindestens teilweise zuge­ wandt ist und der sich zwischen zwei benachbarten schwer umströmbaren Teilbereichen 80 bzw. schwer umströmbaren Teilkörpern 10 des schwer umströmbaren Körpers 8 befindet.
Weiter besitzt der in Fig. 2c gezeigte schwer umström­ bare Körper 8 einen hindurchgehenden Hohlraum 83 mit Aus­ laßseitenöffnungen 86, die sich jeweils in einem Ober­ flächenteilbereich des schwer umströmbaren Körpers 8 befin­ den, der der Innenwand der Durchflußkammer 4 mindestens teilweise zugewandt ist und der sich im Bereich eines schwer umströmbaren Teilbereiches 80 bzw. schwer umströmba­ ren Teilkörpers 10 des schwer umströmbaren Körpers 8 befin­ det.
Es versteht sich, daß weder die Auslaßzwischenöffnungen 85 noch die Auslaßseitenöffnungen 86 so symmetrisch, wie in Fig. 2c gezeigt, angeordnet werden müssen. Ebenso kann der durch den schwer umströmbaren Körper 8 hindurchgehende Hohlraum 83 nur eine Auslaßendöffnung 82 oder nur eine oder mehrerer Auslaßzwischenöffnungen 85 oder nur eine oder meh­ rerer Auslaßseitenöffnungen 86 aufweisen. Oder der hin­ durchgehende Hohlraum 83 weist nur eine oder mehrere Aus­ laßzwischenöffnungen 85 oder nur eine oder mehrere Auslaß­ seitenöffnungen 86 auf. Auch kann in jedem Fall, wo eine Auslaßendöffnung 82 vorhanden ist, diese auch durch ent­ sprechend angeordnete mehrere Auslaßendöffnungen 82, die sich am Ende des schwer umströmbaren Körpers 8 befinden und der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses 1 zugewandt sind, ersetzt werden.
Unabhängig von allen bisher beschriebenen Ausführungs­ formen und Modifikationen davon kann der erfindungsgemäße Superkavitationsmischer des weiteren eine Ultraschall­ vorrichtung und/oder Laservorrichtung umfassen, um die Mischwirkung und/oder Kavitationsbildung der gesamten Vor­ richtung zu optimieren.
Zu diesem Zweck kann der schwer umströmbare Körper 8 als ganzes oder teilweise direkt mit Ultraschall beauf­ schlagt werden. Dies versetzt den schwer umströmbaren Körper 8 als ganzes und/oder in entsprechenden Teilbereichen in Schwingungen. Unabhängig davon kann man auch den hin­ durchströmenden Massestrom an einer geeigneten Stelle in der Durchflußkammer 4 - oder auch an mehreren Stellen oder auch in der gesamten Durchflußkammer 4 - mit Ultraschall beaufschlagen, um beispielsweise Verwirbelungen, Druck­ wellen, Ultraschallkavitation oder verwandte Effekte zu erzeugen, die die hydrodynamische Kavitationsbildung unter­ stützen oder ergänzen und/oder weitere positive Einwirkung auf die Mischwirkung der gesamten Vorrichtung besitzen. Des weiteren kann eine Ultraschallvorrichtung den schwer um­ strömbaren Körper oder Teile davon auch direkt in Ultra­ schallschwingungen versetzen, ebenso wie einen geeigneten Teil der Durchflußkammer 4 bzw. die gesamte Durchflußkammer 4, um die gerade beschriebenen Effekte und positive Einwir­ kungen oder ähnliche zu erzielen.
Analog kann eine Laservorrichtung den Massestrom bzw. einen Teil davon in der Durchflußkammer 4 mit Laserlicht beaufschlagen, um so beispielsweise ebenfalls Kavitation zu erzeugen oder zu unterstützen, beispielsweise auch durch lokale Erwärmung, die unter anderem auch auf die Strömungs­ richtung und Wirbelbildung Einfluß haben kann.
Bei allen bisher diskutierten Ausführungsformen und Modifikationen davon kann des weiteren, um die Mischwirkung der gesamten Vorrichtung zu unterstützen, am Anfang und/oder Ende der Durchflußkammer 4, das heißt, an dem Ende, das der Eingangsöffnung 2 des Gehäuses 1 am nächsten liegt, und/oder an dem Ende, das der Ausgangsöffnung 3 des Gehäuses 1 am nächsten liegt, jeweils eine Wendelvorrich­ tung 90 bereitgestellt sein, wie sie in Fig. 5 schematisch in einer perspektivischen Ansicht skizziert ist.
Eine Wendelvorrichtung 90 besteht im wesentlichen aus einer Vielzahl von wendelartig ausgebildeten Elementen 92 und aus einer Außenwandung 94, die so ausgebildet ist, daß die Wendelvorrichtung 90 am entsprechenden Ende der Durch­ laßkammer 4 angeordnet und befestigt werden kann, bei­ spielsweise mittels eines Dichtungsgummis 96. Die Außenwan­ dung 94 umschließt einen hindurchgehenden Hohlraum, in dem die Vielzahl von wendelartigen Elementen 92 angeordnet sind. Die wendelartigen Elemente 92 haben dabei eine läng­ liche, im wesentlichen flache bzw. zweidimensionale Form und verlaufen im wesentlichen in Richtung der Strömungs­ richtung des durch die Durchflußkammer 4 hindurchstömenden Massestromes, sind dabei aber entlang dieser Richtung so schraubenförmig bzw. wendelartig oder spiralig verdrillt oder verbogen, wobei sie beispielsweise mit einem Teil ihrer Längskante an der Innenwand der Außenwandung 94 befe­ stigt sind, daß der hindurchströmende Massestrom in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, die zudem durch die wendel­ artige Ausbildung der Elemente 92 jeweils in Rotation ver­ setzt werden. Dieses Prinzip der Vermischung von Strömen mittels wendelartiger Vorrichtungen ist im Fachgebiet all­ gemein bekannt.
Mehrere erfindungsgemäße Superkavitationsmischer 100, jeweils gemäß einer der bisher beschriebenen Ausführungs­ formen und Modifikationen davon, können miteinander kombi­ niert bzw. gekoppelt werden, derart, daß das von jedem ein­ zelnen erfindungsgemäßen Superkavitationsmischer 100 erzeugte Superkavitationsfeld mit dem von allen anderen Superkavitationsmischern 100 erzeugten Superkavitations­ feldern überlagert wird. In solch einer Einrichtung 200, wie sie schematisch in Fig. 6 in einer Querschnittsansicht anhand von zwei gekoppelten Superkavitationsmischern 100 veranschaulicht wird, kann durch die Überlagerung der meh­ reren Superkavitationsfelder deren Kavitationswirkung und Mischwirkung insgesamt nochmals potenziert werden.
Außerdem hat solch eine Einrichtung 200 den Vorteil, daß ein Gesamtmassestrom nicht durch eine einzelne Vorrich­ tung hindurch mittels einer entsprechend dimensionierten Pumpe gepreßt werden muß, sondern daß dieser zu vermischen­ de Gesamtstrom auf die einzelnen, zu der Einrichtung 200 gehörenden Superkavitationsmischer 100 aufgeteilt werden kann, so daß jeweils pro Superkavitationsmischer 100 nur eine wesentlich kleiner dimensionierte Pumpe erforderlich ist. Dies erhöht die Effektivität bzw. Energieausnutzung der Einrichtung.
In der in Fig. 6 gezeigten Einrichtung 200 sind die einzelnen Superkavitationsmischer 100 so miteinander verbu­ nden und gekoppelt, daß ihre einzelnen Durchflußkammern 4 nahtlos in eine nachfolgende gemeinsame Durchflußkammer 40 übergehen. Mit anderen Worten, die Ausgangsöffnungen 3 der Gehäuse 1 der Superkavitationsmischer 100 sind zu einer einzigen gemeinsamen Öffnung 30 verbunden bzw. überlagert, die die Eingangsöffnung der gemeinsamen nachfolgenden Durchflußkammer 40 darstellt. Im Bereich der Eingangsöff­ nung 30, das heißt, im Eingangsbereich der gemeinsamen Durchflußkammer 40, überlagern sich dann die von jedem Superkavitationsmischer 100 erzeugten Superkavitationsfel­ der. Nach der Beaufschlagung mit den überlagerten Superka­ vitationsfeldern wird der gesamte durch die Einrichtung 200 hindurchströmende Massestrom durch die Ausgangsöffnung 50 der Durchflußkammer 40 entnommen.
Man beachte auch, daß in der Einrichtung 200 die ein­ zelnen Superkavitationsfelder vorteilhafterweise symme­ trisch einander überlagert werden, das heißt, einander äquivalente räumliche Bereiche der jeweiligen Superkavita­ tionsfelder werden miteinander überlagert. Sind dies die Bereiche der stärksten bzw. optimalen Kavitationswirkung eines jeden Superkavitationsfeldes, so potenziert sich in der Überlagerung deren Wirkung optimal. Allerdings kann diese symmetrische Art der Überlagerung auch aufgegeben werden, wenn dadurch eine bessere Mischwirkung oder andere erwünschte Effekte erreicht werden können bzw. sollen.
Eine zur obigen Einrichtung 200 analoge Einrichtung, in der mehrere Superkavitationsfelder überlagert werden, ist auch mit den in DE-A-44 33 744 offenbarten Superkavitations­ mischern möglich.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen davon sollte beachtet werden, daß der durch einen erfindungsgemäßen Superkavitationsmischer 100 hin­ durchgeleitete Massestrom nach seiner Entnahme aus der Aus­ gangsöffnung 3 des Gehäuses 1 (bzw. der Ausgangsöffnung 50 der Durchflußkammer 40) teilweise oder ganz rückgeführt werden kann - über die Eingangsöffnung 2 des Gehäuses 1 und/oder die entsprechende Einlaßöffnung 61 der Halterung 6 -, um so nochmals teilweise oder als ganzes behandelt zu werden. Dies gilt selbstverständlich analog auch für die Einrichtung 200, in der mehrere Superkavitationsmischer gekoppelt sind.
Abschließend sei nochmals betont, daß alle Ausgestal­ tungen des schwer umströmbaren Körpers 8, in denen dieser aus mehreren Einzelteilen besteht, auch auf entsprechende Weise so realisiert werden können, daß der schwer umström­ bare Körper aus einem Stück besteht. Dabei geht nur eine gegebenenfalls vorhandene unabhängige relative Beweglich­ keit entsprechender Einzelteile verloren.
Zusammengefaßt stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Vermischen der Komponenten eines hindurchströmenden Massestromes eine besonders homogene und extrem bzw. belie­ big lange stabile Mischung bereit, auch wenn nach dem Stand der Technik nicht oder nur schwerst mischbare Komponenten gemischt werden, und auch ohne die Verwendung von Zusatz­ stoffen (Additiven, Emulgatoren u. ä) zur Unterstützung der Mischwirkung. Die Vorrichtung 100 weist einen in einer Durchflußkammer 4 angeordneten schwer umströmbaren Körper 8 auf, der mindestens teilweise in einem sich in Strömungs­ richtung aufweitenden Teil der Durchflußkammer 4 angeordnet ist, so daß die Kavitationswirkung und Mischwirkung des von dem schwer umströmbaren Körper 8 erzeugten Superkavitati­ onsfeldes wesentlich verstärkt und optimiert wird.

Claims (29)

1. Vorrichtung (100) zum Vermischen der Komponenten eines hindurchströmenden Massestromes, wobei die Komponenten insbesondere fest, flüssig oder gasförmig sein können, mittels einem hydrodynamischen Superkavitationsfeld, um eine Mischung, insbesondere eine Emulsion oder Suspension, zu erzeugen, mit
einem Gehäuse (1), das eine Eingangsöffnung (2) für die Zufuhr mindestens eines Teils des zu vermischenden Massestromes und eine Ausgangsöffnung (3) für die Entnahme des Massestromes aufweist;
wobei das Gehäuse (1) eine Durchflußkammer (4) mit einem darin mittels einer Halterung (6) angeordneten schwer umströmbaren Körper (8) aufweist, und
der schwer umströmbare Körper (8) mindestens zwei schwer umströmbare Teilbereiche (80; 10) besitzt, die für jeweils eine lokale Strömungseinengung sorgen,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt der Durchflußkammer (4), der senkrecht zu ihrer Mittelachse genommen wird, wenigstens in einem Teil (41, 20) des Bereichs, der den schwer umströmbaren Körper (8) umgibt, in Strömungsrichtung des durch die Durch­ flußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes größer wird.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper (8) entlang der Richtung der Mittelachse der Durchflußkammer (4) verschoben werden kann.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schwer umströmbaren Teilbereiche (80; 10) des schwer umströmbaren Körpers (8) mittels mehrerer schwer umströmbarer Teilkörper (10) realisiert werden.
4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Teilkörper (10) unabhängig von allen anderen (10) entlang der Richtung der Mittelachse der Durchflußkammer (4) verschoben werden kann.
5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der schwer umströmbaren Teilbereiche (80; 10) so ausgebildet ist, daß sein Querschnitt, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer (4) genommen wird, an dem Ende des Teilkörpers, das der Eingangsöffnung (2) am nächsten liegt, kleiner ist als an dem Ende, das der Ausgangsöffnung (3) am nächsten liegt.
6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der schwer umströmbaren Teilbereiche (80; 10) als Kegelstumpf oder als Halbkugel ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der schwer umströmbaren Teilbereiche (80; 10) als hohler Kegelstumpf oder als hohle Halbkugel ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der schwer umströmbaren Teilbereiche (80; 10) so ausgestaltet ist, daß er mindestens in einem Oberflächenteilbereich eine Vielzahl von kleinen Erhebungen (88) aufweist.
9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der schwer umströmbaren Teilbereiche (80; 10) als Kegelstumpf mit einer Vielzahl von kleinen Erhebungen (88) ausgebildet ist, wobei die kleinen Erhebungen jeweils die Form einer Kegelspitze besitzen und wobei der Oberflächenteilbereich und die Anordnung der kleinen Kegelspitzen dadurch gekennzeichnet ist, daß die Symmetrieachsen der Kegelspitzen alle parallel zueinander und zu der Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes sind und daß jede Kegelspitze dem durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestrom zugewandt ist.
10. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Teilbereich (80; 10), der von allen Teilbereichen (80; 10) der Ausgangsöffnung (3) am nächsten liegt, so ausgestaltet ist, daß sein Querschnitt, der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer (4) genommen wird, in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes gesehen erst größer und dann kleiner und dann wieder größer wird.
11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Teilbereich (80; 10), der von allen Teilbereichen (80; 10) der Ausgangsöffnung (3) am nächsten liegt, einen hohlen Endbereich (84) aufweist, der der Ausgangsöffnung (3) zugewandt ist, wobei der Querschnitt dieses Hohlraums (84), der senkrecht zu der Mittelachse der Durchflußkammer (4) genommen wird, in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes größer wird.
12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Endbereich (84) rotationssymmetrisch ist und seine Symmetrieachse parallel zur Mittelachse der Durchflußkammer (4) liegt.
13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Querschnittsfläche des hohlen Endbereichs (84), die dessen Symmetrieachse vollständig enthält, eine Randlinie besitzt, die in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes gesehen konvex verläuft.
14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Querschnittsfläche des hohlen Endbereichs (84), die dessen Symmetrieachse vollständig enthält, eine Randlinie besitzt, die in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes gesehen konkav verläuft.
15. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Durchflußkammer (4) wenigstens teilweise rotationssymmetrisch ist, wobei ihre Mittelachse die Symmetrieachse ist, und
der schwer umströmbare Körper (8) so angeordnet ist, daß seine Mittelachse mit der Mittelachse der Durchflußkammer (4) zusammenfällt.
16. Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußkammer (4) in ihrem rotationssymmetrischen Teil mindestens eine Ausbuchtung (20) in ihrer Wandung entlang ihre Umfanges aufweist.
17. Vorrichtung (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper (8) so angeordnet ist, daß mindestens eine Ausbuchtung (20) mindestens teilweise im Bereich des schwer umströmbaren Körper (8) liegt.
18. Vorrichtung (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper (8) so angeordnet ist, daß mindestens eine Ausbuchtung (20) in Strömungsrichtung des durch die Durchflußkammer (4) hindurchströmenden Massestromes direkt hinter dem schwer umströmbaren Körper (8) liegt.
19. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper (8) mindestens teilweise aus einem elastischen, nichtmetallischen Material besteht.
20. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper (8) mindestens teilweise einen elastischen, nichtmetallischen Überzug aufweist.
21. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der schwer umströmbare Körper (8) einen hindurchgehenden Hohlraum (83) mit einer Einlaßöffnung (81) aufweist, die sich an dem Ende des schwer umströmbaren Körpers (8) befindet, das der Eingangsöffnung (2) des Gehäuses (1) am nächsten liegt, wobei der durch den schwer umströmbaren Körper (8) hindurchgehende Hohlraum (83) mindestens eine Auslaßöffnung (82, 85, 86) aufweist,
die Halterung (6) einen hindurchgehenden Hohlraum (63) mit einer Einlaßöffnung (61) und einer Auslaßöffnung (62) aufweist, wobei letztere mit der Einlaßöffnung (81) des schwer umströmbaren Körpers (8) verbunden ist; und
die Halterung (6) und der schwer umströmbare Körper (8) so miteinander verbunden und in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, daß mittels einer Öffnung (5) in dem Gehäuse (1) und über die Einlaßöffnung (61) der Halterung (6) ein Teil des zu vermischenden Massestromes über die mindestens eine Auslaßöffnung (82, 85, 86) des schwer umströmbaren Körpers (8) in die Durchflußkammer (4) eingeführt werden kann.
22. Vorrichtung (100) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (6) eine hohle Stange umfaßt, die durch die Öffnung (5) in dem Gehäuse (1) hindurch entlang der Mittelachse der Durchflußkammer (4) in diese hineinragt.
23. Vorrichtung (100) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den schwer umströmbaren Körper (8) hindurchgehende Hohlraum so ausgestaltet ist, das er eine Auslaßöffnung (82) aufweist, die sich an dem Ende des schwer umströmbaren Körpers (8) befindet, das der Ausgangsöffnung (3) des Gehäuses (1) am nächsten liegt.
24. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den schwer umströmbaren Körper (8) hindurchgehende Hohlraum so ausgestaltet ist, das er mindestens eine Auslaßöffnung (85) aufweist,
die sich in einem Oberflächenteilbereich des schwer umströmbaren Körpers (8) befindet, der der Innenwand der Durchflußkammer (4) mindestens teilweise zugewandt ist, und
die sich zwischen zwei benachbarten schwer umströmbaren Teilbereichen (80; 10) befindet.
25. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 21, 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den schwer umströmbaren Körper (8) hindurchgehende Hohlraum so ausgestaltet ist, das er mindestens eine Auslaßöffnung (86) aufweist,
die sich in einem Oberflächenteilbereich des schwer umströmbaren Körpers (8) befindet, der der Innenwand der Durchflußkammer (4) mindestens teilweise zugewandt ist, und
die sich im Bereich eines schwer umströmbaren Teilbereiches (80; 10) befindet.
26. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren eine Einrichtung bereitgestellt ist, um den schwer umströmbaren Körper (8) und/oder den Massestrom an mindestes einem Ort in der Durchflußkammer (4) mit Ultraschall zu beaufschlagen.
27. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren eine Einrichtung bereitgestellt ist, um den schwer umströmbaren Körper (8) und/oder einen Teil der Durchflußkammer (4) in Ultraschallschwingungen zu versetzen.
28. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren eine Einrichtung bereitgestellt ist, um den Massestrom in der Durchflußkammer (4) mit Laserlicht zu beaufschlagen.
29. Einrichtung (200) zum Vermischen der Komponenten eines hindurchströmenden Massestromes, wobei die Komponenten insbesondere fest, flüssig oder gasförmig sein können, mittels einer Überlagerung von mindestens zwei hydrodynamischen Superkavitationsfeldern, um eine Mischung, insbesondere eine Emulsion oder Suspension, zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung (200) mindestens zwei Vorrichtungen (100) nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 28 und eine nachfolgende gemeinsame Durchflußkammer (40) aufweist, wobei
die Vorrichtungen (100) so angeordnet und ausgestaltet sind, daß ihre Ausgangsöffnungen (3) als Gesamtheit an die Eingangsöffnung (30) der nachfolgenden gemeinsamen Durchflußkammer (40) anschließen, derart, daß die von den schwer umströmbaren Körpern (8) erzeugten Superkavitationsfelder im Eingangsbereich der gemeinsamen Durchflußkammer (40) räumlich überlappen.
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