DD143864A1

DD143864A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermischen fluessiger komponentenstroeme

Info

Publication number: DD143864A1
Application number: DD79214695A
Authority: DD
Inventors: Guenter Busch; Eberhard Heidenreich; Volker Ludwig; Peter Nitsche; Manfred Schneider
Original assignee: Guenter Busch; Eberhard Heidenreich; Volker Ludwig; Peter Nitsche; Manfred Schneider
Priority date: 1979-07-31
Filing date: 1979-07-31
Publication date: 1980-09-17
Also published as: DE3016355A1; GB2058595A; FR2462929A1; IT8049369A0

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zum Vermischen flüssiger Kornp onen t ens t r öme

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermischen flüssiger Komponentenströme nach dem Prinzip des Strahlmischers mit Gegenstromanordnung, insbesondere zum Vermischen von schnell miteinander reagierenden Komponenten, wie z. B. bei der Herstellung von Pormkörpern aus Polyurethan.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für eine Vielzahl von Mischaufgaben beim Einsatz von flüssigen Komponenten hat sich das Prinzip des Strahlmischers mit Gegenstromanordnung als sehr günstig erwiesen. Beim Vermischen von schnell miteinander reagierenden Komponenten ist die gute Reinigungsmöglichkeit der Mischeinrichtung von besonderem Vorteil.

Demgegenüber steht der hohe maschinentechnische Aufwand, der erforderlich ist, um die hohen Arbeitsdrücke zur Erreichung 'einer ausreichenden Mischgüte zu erzeugen.

Es wurde versucht, eine Vermischung der Komponenten in der Mischkaromer zu erreichen, wobei die Mischkammer mit Ultraschall bestrahlt wurde. Hierbei konnte jedoch nicht

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in allen Fällen eine ausreichende Mischgüte erzielt werden.

Daraus folgend wurde entsprechend der OS 2 131 540 (BRD) vorgeschlagen, die Komponenten in eine Form zu füllen und diese mit Schwingungen bis in den Ultraschallbereich zu "bestrahlen.

In ähnlicher Weise, d. h. durch Anordnung eines Ultra-' schallstrahlers am Boden eines mit Flüssigkeit gefüllten Gefäßes, erfolgt die Vermischung entsprechend der PS 429 257 (CH).

Beide Lösungen sind jedoch nicht ökonomisch und lassen keine Universalität in ihrer Anwendung zu.

Gemäß OS 2 649 973 (BRD) wurde vorgeschlagen, Komponentenstrahlen in eine rührwerkslose Mischkammer einzuleiten und im Anschluß an die dort stattfindende Vorvermischung den Strom des Komponentengemisches unter Druck mit hoher Geschwindigkeit über eine Zunge zu leiten, die im Ultraschallbereich schwingt und damit eine weitere Vermischung bewirkt.

Nachteilig hierbei ist, daß die Zunge ein mechanisches Element darstellt, das durch einen konstanten Komponentenstrom in Schwingungen versetzt werden muß, die von der Geschwindigkeit dieses Stromes und der konstruktiven Ausführung abhängen. Hierdurch ergibt sich eine schlechte Vermischung zum Zeitpunkt der Anfahr- und Abschaltphase, woraus Qualitätsmängel an dem hergestellten Produkt resultieren. Beim Einsatz von schnell miteinander reagierenden Komponenten ist eine Reinigung der Mischeinrichtung mit Reinigungsmitteln erforderlich, die in vielen Fällen teuer, gesundlieitsgefährdend und umweltbelastend sind. Es fällt ein unbrauchbares Restgemisch an.

Entsprechend der OS 2 730 568 (BRD) wurde vorgeschlagen, die Ultraschallschwingungen zum Vermischen flüssiger Komponenten durch die Umwandlung lokaler Verdichtungen eines fluiden Mediums in mechanische Schwingungen zu erzeugen.

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Der iJachteil besteht dabei in dem dafür notwendigen Rotor-Stator-System, welches mit einem aus elastischem Material bestehendem Oszillator zusammenwirkt und auf Grund seiner komplizierten Gestaltung keine Reinigung der Mischeinrichtung ohne Spülmittel zuläßt.

Auch bei der Vermischung gemäß OS 2 155 176 (BRD), bei der das zu vermischende Medium mittels einer Ultraschallsonde in einem spiralförmig ausgebildeten Kanal quer zur Strömungsrichtung bestrahlt wird, ist eine Reinigung nur mit Spülmittel möglich, wobei ein weiterer IJachteil in dem relativ geringen Durchsatz besteht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Weiterentwicklung des Prinzips des Strahlmischers mit Gegenstromanordnung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, Komponentenströme nach dem Prinzip des Strahlmischers mit Gegenstromanordnung auch bei niedrigen Drücken, z. B. unter 2 MPa mit ausreichender Mischgüte zu vermischen und dabei die Vorteile hinsichtlich der leichten Reinigung der Mischeinrichtung mindestens zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Vermischen von flüssigen Komponentenströmen nach dem Prinzip des Strahlmischers mit Gegenstromanordnung wenigstens ein Eoinponentenstrom unmittelbar vor bzw« während seines Eintritts in den Mischraum mit Ultraschall bestrahlt wird. Die Ultraschallschwingungen werden dabei so und in der Stärke eingeleitet, daß sie sich noch am Auftreffpunkt der Komponentenstrome auswirken. Zusätzlich kann das im Mischraum entstehende Komponentengemicch in Strömungsrichtung mit Ultraschall bestrahlt werden. .

Die Vorrichtung zum Vermischen flüssiger Komponenten, . insbesondere schnell miteinander reagierender Komponenten, weist ein Mischraumgehäuse auf, in dem sich ein Mischraum befindet, der einen in Länge des Mischrauines komplementär zur Mischraumbohrung ausgebildeten, in Längsrichtung bewegbaren Ausstoßkolben aufnimmt. Der verbleibende Teil des Ausstoßkolbens ist als Exponentialhorn ausgebildet und nimmt stirnseitig wenigstens einen Ultras challschv.'inger auf, der mittels einer Druckplatte fest arretiert ist. Das Mischraumgehäuse besitzt in den Mischraum mündende EinlaufÖffnungen für die Komponenten, die diametral gegenüberliegen oder unter einem bestimmten Winkel zur Längsachse des Mischraumes angeordnet sind.

An jede EinlaufÖffnung schließt sich eine Einlaufkammer an. An der dem Mischraum entgegengesetzten Seite wenigstens einer Einlaufkammer befindet sich ein Ultraschallschwinger, insbesondere ein fokussierender Ultraschallschwinger, dessen Brennpunkt innerhalb des Mischraumes, vorzugsweise im Auftreffpunkt der Komponentenströme, liegt. Jede Einlaufkammer, die vorteilhaft trichterförmig ausgebildet ist, besitzt eine Zuleitung für eine Komponente. Jede Komponente gelangt von einem nicht dargestellten Vorratssystem mit einem im Niederdruckbereich (etwa bis 2 MPa) liegenden Druck über eine Zuleitung in die Einlaufkammer und von hier über die Einlauföffnungen in den Mischraum. Der in den Mischraum eintretende Kornponentenstrahl trifft mit wenigstens einem weiteren Komponentenstrahl einer anderen Komponente im Mischraum zusammen, wobei die Strahlwirkung eine Vermischung bewirkt.

Der an wenigstens einer'Einlaufkammer angeordnete, mit frei wählbarer Frequenz arbeitende, fokussierende Ultraschallschwinger strahlt gleichzeitig seine Energie so ab, daß am Ort des Zusammentreffens der einzelnen als Koppiungsraedien für die Schwingungen verwendeten Komponentenströme im Mischraum die höchste Energiedichte auftritt, wodurch die Homogenität der Mischung im mikro-

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skopischen Bereich verbessert wird

Zur weiteren Verbesserung der Homogenität kann das

entstehende Gemisch im Misehraura zur gleichen Zeit zusätzlich mit Ultraschallschwingungen, die von dem mit wenigstens einem Ultraschallschwinger gekoppelten Ausstoßkolben ausgehen, in Austragsrichtung überlagert werden. Ein besonderer Vorteil hierbei ist, daß der

sich zwischen Ausstoßkolben und Mischraumwandung bildende Restgemischfilm bei schwingendem Ausstoßkolben am Kolbenmantel nicht fest anhaftet und dadurch die Rückzugkraft für den Ausstoßkolben minimal gehalten wird.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung ist die Erfindung prinzipiell dargestellt. Sie zeigt eine Mischvorrichtung in Arbeitsstellung mit Anordnung des Ultraschallschwingers für jede Komponente bei gegenüberliegenden EinlaufÖffnungen.

Von einem nicht dargestellten Vorratssystem gelangt jeder flüssige Komponentenstrom A; B mit einem Druck, z.B. bis etwa 2 IiPa, über eine Zuleitung 5 in eine Einlaufkammer 4, füllt diese und tritt durch eine Einlauföffnung β in einen LTischraum 2 ein, wenn der im Mischraum 2 in Längsrichtung C-D bewegbar angeordnete Ausstoßkolben 8 in die obere Stellung, d. h. in Arbeitsstellung, bewegt wurde und die Querschnitte der EinlaufÖffnung 6 freigegeben hat. Am Umfang des Mischraumes 2 können für jede Komponente A; B auch mehrere EinlaufÖffnungen 6 mit dazugehörigen Einlaufkammern angeordnet sein

In jeder Einl aufkämme r 4 v/erden der Komponente durch einen fokussierenden Ultraschallschwinger 7 Schwingungen im Ultraschallbereich derart mitgeteilt, daß die höchste Energiedichte innerhalb des Mischraumes 2 vor-

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Gemäß Zeichnung sind die Einlauföffnungen 6 gegenüberliegend im I.iischrauingehäuse 1 angeordnet. Bei dieser

Anordnung treffen die Komponentenströme auf den Achsen X₁; Xp; ···; χ im Mischraum 2 unter einem bestimmten

_; Winkel c^ zur Längsachse ζ des Mischrauines 2 aufeinander und werden durch die Strahlwirkung der Komponentenströme vermischt, wobei gleichzeitig durch den Ultraschall die Mischintensität, insbesondere im mikroskopischen Bereich, bedeutend erhöht wird und somit eine innige Vermischung stattfindet.

Der Brennpunkt jedes Ultraschallschwingers 7 ist so eingerichtet, daß innerhalb des Mischraumes 2, vorzugsweise im Schnittpunkt der Achsen x.; X₂; ··«; x_n» die höchste Energiedichte auftritt.

Beim Eintritt der Komponenten in den Mischraum 2 wird das entstehende Gemisch zur gleichen Zeit zusätzlich in Strömungsrichtung, d, h. in Austragsrichtung des Mischraumes 2, mit Ultraschall bestrahlt. Die Einleitung des Ultraschalls erfolgt über den Ausstoßkolben B, an dem außerhalb des Mischraumes 2 ein Ultraschallschwinger 9 mittels einer Druckplatte 10 befestigt ist, der den Ausstoßkolben 8 in Längsrichtung C-D in Schwingung versetzt.

Die Gemischerzeugung hält so lange an, bis der in Länge des Mischraumes 2 komplementär zur Mischraumbohrung 3 ausgebildete Ausstoßkolben 8 in Pachtung C, d. h. in Austragsrichtung, bewegt wird und gleichzeitig das im Mischraum 2 befindliche Gemisch austrägt.

Während der Bewegung des Ausstoßkolbens 8 in Austragsrichtung bleibt der Ultraschallschwinger 9 fortwährend in Betrieb. Die Ultraschallschwinger 7 sind nur in Arbeitsstellung des Ausstoßkolbens 8 in Funktion. Bei Bewegung des Ausstoßkolbens 8 in Austragsrichtung werden sie al) dem Zeitpunkt der Überdeckung.der Querschnitte der EinlaufÖffnungen 6 funktionslos, um Kavitationsschäden em Ausstoßkolben 8 zu vermeiden. Vorteilhaft ist, daß die Ultraschallschwinger 7 nicht mit dem Komponentengemisch, sondern nur mit jeweils einer Komponente in Berührung kommen und hierdurch gewährleistet ist, daß beim'

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Vermischen schnell miteinander reagierender Komponenten keine Verschmutzung auftritt, die "eine Reinigung ζ. Β. mit Spülmittel erforderlich macht.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Komponenten zwar im Gegenstrom zueinander geführt, jedoch die beim Strahlmischer notwendigen hohen Arbeitsdrücke nicht erforderlich sind und daß trotz niedriger Arbeitsdrücke im Bereich z. B« bis etwa 2 HPa keine Mischwerkzeuge im Mischraum notwendig sind, um eine innige Vermischung der Komponenten herbeizuführen. Außerdem entfällt durch die mögliche Verwendung einer Mischvorrichtung mit Ausstoßkolben der Einsatz von Reinigungsmitteln nach dem Austragen des Komponentengemisches.

Insgesamt gesehen wird mit der Erfindung eine ausreichende Vermischung der Komponenten bei bedeutend geringerem maschinentechnischen Aufwand gewährleistet.

Claims

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1. Verfahren zum Vermischen flüssiger Komponentenströme, bei dem die Komponenten in einen Mischraum strömen und sich dort vermischen, wobei gegebenenfalls zeit-· weise oder ständig Ultraschall auf das Gemisch einwirkt, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens "ein Komponentenstrom unmittelbar vor bzw. während seines Eintritts in den Mischraum mit Ultraschall bestrahlt wird.

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Erfindungsanspruch

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das im Mischraum entstehende Komponentengemisch in Strömungsrichtung mit Ultraschall bestrahlt wird.

3· Vorrichtung zum Vermischen flüssiger Komponentenströme mit einem Mischraum, in den die Komponenten durch gegenüberliegende EinlaufÖffnungen unter Druck einströmen, und einem Ausstoßkolben, gekennzeichnet dadurch, . daß wenigstens vor einer EinlaufÖffnung (6) ein Uitra-' schallechwinger (7) angeordnet und gegebenenfalls am Ausstoßkolben (8) wenigstens ein weiterer Ultraschallschwinger (9) befestigt ist.

4· Vorrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß der' Ultraschallschwinger (7) ein fokussierender Schwinger ist, dessen Brennpunkt sich im Bereich des Mischraumes (2), vorzugsweise im Auftreffpunkt der Komponentenströme, befindet,

5. Vorrichtung nach Punkt 3> gekennzeichnet dadurch, daß die Einlaufkanimer (4) vorzugsweise trichterförmig ausgebildet ist und den Ultraschallschwinger (7) aufnimmt .

£>. Vorrichtung nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß der Ausstoßkolben (ß) außerhalb des Mischraumes (2) als Exponentialhorn ausgebildet, der Ultraschallschwinger-(9) an diesem stirnseitig befestigt und mit einer Druckplatte (10) abgedeckt ist.

Hierzu iSaiio Zeichnungen