WO2003013709A2 - Durchfluss-ultraschalldispergiervorrichtung - Google Patents

Durchfluss-ultraschalldispergiervorrichtung Download PDF

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WO2003013709A2
WO2003013709A2 PCT/EP2002/007086 EP0207086W WO03013709A2 WO 2003013709 A2 WO2003013709 A2 WO 2003013709A2 EP 0207086 W EP0207086 W EP 0207086W WO 03013709 A2 WO03013709 A2 WO 03013709A2
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dispersing device
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ultrasonic dispersing
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concentrators
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Christian Winkelmann
Georgij Nikolajewitch Tchervonenko
Mikhail Tchervonenko
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FUTURE TEC GbR
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    • A23B2/50—Preservation of foods or foodstuffs, in general by irradiation without heating
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    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00164—Controlling or regulating processes controlling the flow

Definitions

  • the submitted invention relates to the field of ultrasound technology and can be used to homogenize heavy fuels or milk, to process high-quality water-fuel emulsions for diesel engines, the firing systems of thermal power stations and heating oil-fired boiler systems, to sanitize drinking water, juices and other liquid foods, for production high quality paints, lubricants, emulsions and suspensions of food, feed, pharmaceutical and other substances, in the chemical industry to intensify chemical reactions and to represent new types of compounds; in primary petroleum processing to increase the yield of light fuels, the preparation of stable drilling fluids and for other similar technologies.
  • a device for ultrasonic emulsification (Japanese Patent Application No. 62-57375, cl. B 01 F 11/02, published in 1987) is known which consists of a vibrator with plates, one of which is designed as a unit with a concentrator with an axial opening is.
  • the disadvantages of this device include the low performance, the poor quality of the emulsions produced and the high energy expenditure due to a low electrical-acoustic efficiency.
  • the device applied for comes closest to a device for the ultrasonic treatment of liquids (patent of the Russian Federation No. 2 061 537, cl. B 06 F 11/02, published in B! No. 16 of June 10, 1996), the contains a piezotransmitter (vibrator) reinforced by a stud with an axial opening and connected to the generator, with two symmetrically and coaxially arranged concentrators, which are designed as a unit with plates and axial openings with diaphragms at the outlet end faces and openings in them.
  • the decisive advantage of the invention submitted is the substantial improvement in the cavitation treatment of the liquid flowing through the vibrator and in the improvement of the energetic characteristics of the system, as well as the possibility of subjecting liquids with a high temperature to the cavitation treatment.
  • Fig. 1 shows the basic variant of the device with four cavitation zones and a detailed description of the basic vibration system.
  • Fig. 2 shows the modification of the basic version with two focusing devices.
  • Fig. 3 shows the design of the slot and ring-shaped column of the modification according to Fig. 2 on a large scale.
  • Fig. 4 shows the modification of the basic variant with two half-wave resonators, two high-frequency transmitters on the end faces, four sound-permeable screens with grooves in the surfaces in Form an Archimedean spiral using a cavitation activator.
  • Fig. 5 shows the modification with a high-frequency transmitter, which is arranged within the concentrators.
  • Fig. 6 shows the modification for the cavitation treatment of a hot liquid.
  • Fig. 7 shows the variant for the cavitation treatment of a hot liquid with half-wave attachments and eight cavitation zones.
  • the device (see Fig. 1) is a piezotransmitter (vibrator) connected to a generator (not shown in Fig. 1) with plates that are designed as a unit with the concentrators 1 (e.g. step concentrators) with a variable internal cross section and is reinforced (tensioned) with a stud screw 2 with the axial bore 3, which has a continuation in the axis of the concentrator 1.
  • the piezoceramic plates 4 and the piezoceramic disc of electro-acoustic feedback 5 are mounted on the ⁇ ⁇ • screw 2 into a package and from this, insulated by the insulation bushing to the current carrying electrodes, the radiators.
  • the resonance membranes 8 with the flow openings 9 in the side surfaces at the level of the flat inner surface of the membranes 8 are acoustically rigid and detachably attached to the output end faces of the concentrators 1 and form between the side surface of the resonance membranes 8 and the inner surface of the inserts 10, which in the node surface of the Concentrators 1 are attached, the annular gaps 11.
  • the sound-permeable screens 12 (made, for example, of thin plastic) form the slit-shaped gaps 14 with the axial openings 13.
  • the package of piezoceramic material 4 and 5 is protected by the housing 15. The tightness of the construction is ensured by the sealing rings 16 made of rubber.
  • the liquid to be treated enters and exits the device via the nozzle 17.
  • Fig. 2 shows how the focusing devices 18 are fastened coaxially and symmetrically in the form of rotational paraboloids, which form the focal points at the inlet and outlet of the device, on the inserts 10.
  • the sound-permeable screens 12 are used on both sides of the resonance membrane 8, as is shown on a large scale in FIG. 3.
  • the volume of the concentrators 1 and the half-wave resonators 20 is filled with the cavitation activator 21 (for example a metal network which is represented by the dotted hatching).
  • the high-frequency ultrasound transmitters 22, which are connected to a generator (not shown in FIG. 4), are fastened acoustically rigid to the end faces of the inserts 10.
  • the sound-permeable screens 12 have on their effective side (which faces the membrane 8) in the form of a flat spiral depression (Archimedean spiral).
  • the high-frequency transmitters 22 are arranged within the concentrators 1 and fastened in the pipe pieces 23 screwed into the screw 2.
  • the bores 24 serve to feed the lines to the high-frequency transmitters 22.
  • the thermal protection of the piezoceramic components 4 is ensured in front of the hot liquid flowing through the vibrator by means of the continuous tube 25, on which the reflectors 26 are hermetically attached from both sides.
  • the tightness of the fastening of the reflectors and their acoustic decoupling from the concentrators 1 is ensured by the rubber rings 27.
  • Figure 7 shows a modification of the previous variant (Fig. 6) with the formation of eight cavitation zones with the aid of two half-wave attachments 28 and four resonance membranes 8.
  • the half-wave attachments 28 are screwed onto the resonance membranes 8 and the annular gaps 11 are through the sleeves 29 formed, " which are tightened with the union nuts 30 and sealed with the rubber rings 31.
  • the functional position of all modifications is vertical.
  • the liquid to be treated flows from bottom to top through the vibrator, so that the bubbles created during cavitation do not accumulate in the vibrator.
  • the device works as follows.
  • the generator (not shown in the figure) generates electrical vibrations with the resonant frequency of the vibrator, which are applied to the disks of the piezoelectric component 4, which generates mechanical vibrations. With the aid of the piezoceramic disks of the electroacoustic feedback 5, these vibrations are converted back into electrical vibrations and applied to the generator for automatic phase adjustment of the resonance frequency of the vibrator.
  • the mechanical vibrations generated by the piezoceramic component 4 are amplified by the concentrators 1 and applied to the resonance membranes 8, which are acted upon on both sides with the liquid to be treated.
  • the mechanical vibrations at the resonance frequency are additionally amplified in proportion to the mechanical properties of the membranes 8.
  • the initial mechanical vibrations of the piezoceramic component 4 are amplified several times (depending on the load) and make it possible to virtually completely balance the load (the liquid to be treated) with the vibrator, as a result of which the electroacoustic efficiency of the entire vibration system is increased to almost 100% can.
  • the practically complete comparison of the vibrator with the load is also achieved because the wave dimension ka of the diaphragms 8, which are loaded from both sides (regime of the oscillating piston without shielding), was chosen such that the relative active resistance reached the possible maximum values, which exceed 1, 2 (see LN. Orlov, AA Shabrov. Calculation and planning of antennas from hydroacoustic fish detection stations /russ./, M., Izd-vo "Pistchevaya promyshiennost", 1974, p. 127, Fig. 61, Curve 5).
  • the liquid to be treated enters the vibrator from below via the inlet connection 17, flows through the lower slot-shaped gap 14 and further through the annular gap 11, the through bores 9 and the upper slot-shaped gap 14 and exits via the axial opening 13 in the diaphragm 12.
  • the flow path of the liquid to be treated is marked on Fig. 3 on an enlarged scale with thick arrows. there the liquid to be treated flows through the device practically in constant contact with the solid initiation surface of the resonance membranes 8 and in the immediate vicinity of the solid surfaces of the insert 10 and the diaphragm 12, thereby ensuring a maximum amount of cavitation.
  • the liquid to be treated flows in the vibrator through the axial bore of the upper concentrator 1, the axial bore of the stud screw 2, the axial bore of the upper concentrator 1 and further as described above, but in reverse order.
  • the liquid to be treated flows through the four cavitation zones one after the other over the initiation surface and close to the fixed limits, which ensures high-quality cavitation treatment of the liquid, which is supplemented by the action of the cavitation as it flows through the interior of the vibrator.
  • the above-described process of cavitation treatment of the liquid flowing through can be significantly intensified (see Fig. 2) if the focussing devices 18 are used to generate strong focal points 19 at the entrance and exit of the dispersing device.
  • the slit-shaped gaps 14 are formed by the sound-permeable screens 12 on both sides of the resonance membranes 8.
  • the process of emulsification with ultrasound can be significantly improved if it takes place on a hard surface and under high sound pressures (see ultrasound. Kleine Enzyklopadie / russJ, by IP Golyamina, M-, "Sovetskaya Enziklopediya" 1979, p. 393). Proceeding from this, the registered dispersing device can be designed as an emulsifying device with an interior filled with an emulsifying activator (eg metal mesh) and half-wave resonators, thus doubling the sound pressure.
  • an emulsifying activator eg metal mesh
  • FIG. 5 A simpler variant of the ultrasonic dispersing device for emulsification purposes is shown in Figure 5.
  • the internal volume of the liquid to be treated is reduced to a minimum size, which is of fundamental importance when such devices are used on diesel engines of trucks and buses, since the fuel supply must be switched to pure fuel before the engine is switched off for a long time so that it is during the idle time the emulsion does not separate and water is present in the non-dispersed phase, which is impermissible for the fuel system of a diesel engine.
  • a certain time is required until all of the emulsion supply from the fuel system has been used up, and its amount is determined precisely by the internal volume of the dispersing device.
  • the operating conditions of such diesel engines require the installation of high-frequency transmitters 22 from the inside of the resonance membrane 8 and the guidance of the liquid to be treated in the vibrator through the tubes 23.
  • the inner slot-shaped gap 14 is used as a half-wave gap after the executed higher frequency in order to reduce the load on the high-frequency transmitter 22 and to ensure a doubling of the sound pressure with respect to the higher frequency in the slot-shaped gap 14.
  • Heavy oil is used for marine diesel and the firing of thermal power stations and boiler houses, which is preheated to temperatures of almost 100 ° C for better atomization.
  • the dispersing device shown in Figure 6 is used, where the through-pipe 25 with the reflectors at the ends, which are sealed with the rubber sealing rings 27, is used to protect the piezoceramic components from the hot fuel. This construction protects the piezoceramic component against the risk of overheating and depolarization.
  • the simple treatment shown in Fig. 6 for homogenizing and preparing an emulsion is not sufficient.
  • the device shown in Fig. 7 can be used, in which the liquid to be treated flows through eight cavitation zones in succession and has a certain dwell time in each cavitation zone (in the slot-shaped gap 14) because the liquid is formed by grooves in the form of an Archimedean Spiral is performed.
  • two cylindrical half-shaft attachments 28 are used, which together with the vibrator form a uniform vibration system.
  • the liquid to be treated flows through the pipes 25 and through the eight slit-shaped gaps and passes out of the vibrator into the attachments 28 (and vice versa) through the annular gaps 11 which are formed by the sleeves 29 with the clamping nuts 30.
  • the tightness of this connection is ensured by the rubber sealing rings 31.
  • This dispersing device has excellent opportunities for use in the cracking process in primary petroleum processing to increase the yield of light-colored products.

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Abstract

The invention relates to a flow-through ultrasonic dispersing device having a reinforced stud bolt with an axial bore and a piezo transmitter with two symmetrically and coaxially arranged concentrators configured as a unit with plates and axial holes with membranes on the front faces of the output and holes therein. Said device is characterized in that the concentrators are embodied with variable inner cross section and the front faces of the output of the concentrators are loaded with resonance membranes, slot-shaped slits with a central inlet and outlet of the liquid to be treated being embodied in the proximity of said membranes and parallel thereto and flow-through holes being arranged on the side face of the fixture of the resonance membranes at the level of their even surface.

Description

Durchfluß-Ultraschalldispergiervorrichtung
Die eingereichte Erfindung betrifft das Gebiet der Ultraschalltechnik und kann zum Homogenisieren schwerer Treibstoffe oder Milch, zur Aufbereitung qualitativ hochwertiger Wasser-Treibstoff-Emulsionen für Dieselmotoren, die Feuerungsanlagen von Heizkraftwerken und heizölbefeuerte Kesselanlagen, zum Keimfreimachen von Trinkwasser, Säften und anderen flüssigen Lebensmitteln, zur Herstellung hochwertiger Anstrichstoffe, Schmierstoffe, Emulsionen und Suspensionen von Lebensmitteln, Futtermitteln, pharmazeutischen und anderen Stoffen, in der chemischen Industrie zur Intensivierung chemischer Reaktionen und zur Darstellung neuer Arten von Verbindungen; in der primären Erdölverarbeitung zur Erhöhung der Ausbeute an leichten Kraftstoffen, die Zubereitung beständiger Bohrspülungen und für weitere ähnliche Technologien-.eingesetzt werden. -
Bekannt ist eine Vorrichtung zum Ultraschall-Emulgieren (japanischer Patentantrag Nr. 62- 57375, Kl. B 01 F 11/02, veröffentlicht 1987), die aus einem Vibrator mit Platten besteht, von denen eine als Einheit mit einem Konzentrator mit axialer Öffnung ausgeführt ist.
Zu den Nachteilen dieser Vorrichtung gehören die geringe Leistung, die schlechte Qualität der hergestellten Emulsionen und der hohe Energieaufwand infolge eines niedrigen elektröäkustischen Wirkungsgrades.
Im technischen Prinzip kommt der beantragten Vorrichtung eine Vorrichtung für die Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten (Patent der Russischen Föderation Nr. 2 061 537, Kl. B 06 F 11/02, veröffentlicht im B! Nr. 16 vom 10.06.1996) am nächsten, die einen durch eine Stiftschraube mit axialer Öffnung verstärkten und an den Generator angeschlossenen Piezotransmitter (Vibrator) mit zwei symmetrisch und koaxial angeordneten Konzentratoren enthält, die als eine Einheit mit Platten und axialen Öffnungen mit Blenden an den Ausgangsstirnseiten und Öffnungen in ihnen ausgeführt sind.
Die Nachteile dieser Vorrichtung entsprechen denen der vorherigen vergleichbaren Vorrichtung, sind jedoch weniger stark ausgeprägt.
Der entscheidende Vorteil der eingereichten Erfindung besteht in der wesentlichen Verbesserung der Kavitationsbehandlung der den Vibrator durchströmenden Flüssigkeit und in der Verbesserung der energetischen Kennwerte der Anlage sowie in der Möglichkeit, Flüssigkeiten mit einer hoher Temperatur der Kavitationsbehandlung zu unterziehen.
Diese positiven Eigenschaften werden dadurch erzielt, daß die gesamte den Vibrator durchströmende Flüssigkeit mindestens viermal über die Initiierungsfläche des Vibrators sowie in der Nähe der festen Oberflächen strömt, und daß die aktive Komponente des Strahlungswiderstands erhöht und der Vibrator optimal auf die Belastung abgestimmt ist. Einige Modifikationen der beantragten Vorrichtung zeichnen sich zusätzlich dadurch aus, daß die zu behandelnde Flüssigkeit zwei Brennpunkte am Eingang und am Ausgang der Vorrichtung sowie zwei Halbwellenresonatoren durchströmt, daß zusätzlich eine zweifache Beaufschlagung der zu behandelnden Flüssigkeit mit hochfrequenten Ultraschallschwingungen erfolgt und daß die Piezokeramik mit einem Wärmeschutz vor der den Vibrator durchströmenden heißen Flüssigkeit ausgestattet ist. Die zum Patent angemeldete Vorrichtung ist realisierbar, was durch ihren Bau und' ihre ' Erprobung nachgewiesen wird (siehe Anlage).
Auf den Abb. 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in verschiedenen Modifikationen dargestellt. Abb. 1 zeigt die Grundvariante der Vorrichtung mit vier Kavitationszonen und einer ausführlichen Beschreibung des grundlegenden Schwingsystems. Auf Abb. 2 ist die Modifikation der Grundausführung mit zwei Fokussiereinrichtungen dargestellt. Abb. 3 zeigt im großen Maßstab die Gestaltung der schlitz- und ringförmigen Spalte der Modifikation entsprechend Abb. 2. Auf Abb. 4 ist die Modifikation der Grundvariante mit zwei Halbwellenresonatoren, zwei Hochfrequenzsendern an den Stirnflächen, vier schalldurchlässigen Blenden mit Nuten in den Oberflächen in Form einer archimedischen Spirale und unter Verwendung eines Kavitationsaktivators. Abb. 5 zeigt die Modifikation mit einem Hochfrequenzsender, der innerhalb der Konzentratoren angeordnet ist. Auf Abb. 6 ist die Modifikation für die Kavitationsbehandlung einer heißen Flüssigkeit zu sehen. Abb. 7 schließlich zeigt die Variante für die Kavitationsbehandlung einer heißen Flüssigkeit mit Halbwellenaufsätzen und acht Kavitationszonen.
Bei der Vorrichtung (siehe Abb. 1 ) handelt es sich um einen an einen Generator (auf Abb. 1 nicht dargestellt) angeschlossenen Piezotransmitter (Vibrator) mit Platten, die als eine Einheit mit den Konzentratoren 1 (z.B. Stufenkonzentratoren) mit variablem Innenquerschnitt ausgeführt und mit einer Stiftschraube 2 mit der axialen Bohrung 3 verstärkt (gespannt) ist, die in der Achse des Konzentrators 1 eine Fortsetzung hat. Die piezokeramischen Scheiben 4 und die piezokeramische Scheibe der elektroakustischen Rückkopplung 5 sind auf der ■ ■• Schraube 2 zu einem Paket montiert und von dieser durch die Isolationsbuchse mit den stromführenden Elektroden, den Radiatoren 7, isoliert. Die Resonanzmembranen 8 mit den Durchströmöffnungen 9 in den Seitenflächen auf Höhe der ebenen Innenfläche der Membranen 8 sind akustisch starr und lösbar an den Ausgangsstirnseiten der Konzentratoren 1 befestigt und bilden zwischen der Seitenfläche der Resonanzmembranen 8 und der Innenfläche der Einsätze 10, die in der Knotenfläche der Konzentratoren 1 befestigt sind, die ringförmigen Spalten 11. Die schalldurchlässigen Blenden 12 (hergestellt z.B. aus dünnem Kunststoff) bilden mit den axialen Öffnungen 13 die schlitzförmigen Spalten 14. Das Paket aus piezokeramischem Material 4 und 5 wird durch das Gehäuse 15 geschützt. Die Dichtheit der Konstruktion wird durch die Dichtringe 16 aus Gummi gewährleistet. Die zu behandelnde Flüssigkeit tritt über die Stutzen 17 in die Vorrichtung ein und aus.
Abb. 2 zeigt, wie auf den Einsätzen 10 koaxial und symmetrisch die Fokussiereinrichtungen 18 in Form von Rotationsparaboloiden befestigt sind, die die Brennpunkte am Eintritt und am Austritt der Vorrichtung bilden. In dieser Variante kommen die schalldurchlässigen Blenden 12 an beiden Seiten der Resonanzmembran 8 zum Einsatz, wie das im großen Maßstab auf Abb. 3 dargestellt ist.
Bei der auf Abb. 4 dargestellten Modifikation ist das Volumen der Konzentratoren 1 und der Halbwellenresonatoren 20 mit dem Kavitationsaktivator 21 gefüllt (beispielsweise ein Metallnetz, das durch die punktierte Schraffierung dargestellt ist). An den Stirnflächen der Einsätze 10 sind akustisch starr die hochfrequenten Ultraschallsender 22 befestigt, die an einen Generator angeschlossen sind (auf Abb. 4 nicht gezeigt). Bei dieser Modifikation haben die schalldurchlässigen Blenden 12 auf ihrer wirksame Seite (die zur Membran 8 gerichtet ist) die Form einer flachen spiralförmigen Vertiefung (archimedische Spirale). Auf Abb. 5 sind die Hochfrequenzsender 22 innerhalb der Konzentratoren 1 angeordnet und in den in die Schraube 2 eingeschraubten Rohrstücken 23 befestigt. Für die Zuführung der Leitungen zu den Hochfrequenzsendern 22 dienen die Bohrungen 24.
Auf Abb. 6 wird der Wärmeschutz der piezokeramischen Bauteile 4 vor der durch den Vibrator strömenden heißen Flüssigkeit mit Hilfe des durchgehenden Rohrs 25 gewährleistet, an dem von beiden Seiten die Reflektoren 26 hermetisch befestigt sind. Die Dichtheit der Befestigung der Reflektoren und ihre akustische Entkopplung von den Konzentratoren 1 wird durch die Gummiringe 27 gewährleistet.
Abbildung 7 zeigt eine Modifikation der vorherigen Variante (Abb. 6) unter Bildung von acht Kavitationszonen mit Hilfe von zwei Halbwellenaufsätzen 28 und vier Resonanzmembranen 8. In diesem Fall werden die Halbwellenaufsätze 28 auf die Resonanzmembranen 8 aufgeschraubt, und die Ringspalte 11 werden durch die Muffen 29 gebildet, "die rhit den Überwurfmuttern 30 zusammengezogen und mit den Gummiringen 31 abgedichtet werden.
Die Funktionslage aller Modifikationen ist senkrecht. Dabei fließt die zu behandelnde Flüssigkeit von unten nach oben durch den Vibrator, damit sich die bei Kavitation entstehenden Bläschen nicht im Vibrator ansammeln.
Die Vorrichtung funktioniert folgendermaßen.
Der Generator (auf der Abbildung nicht gezeigt) erzeugt elektrische Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des Vibrators, die an die Scheiben des piezoelektrischen Bauteils 4 angelegt werden, das mechanische Schwingungen erzeugt. Mit Hilfe der piezokeramischen Scheiben der elektroakustischen Rückkopplung 5 werden diese Schwingungen in elektrische Schwingungen zurückverwandelt und zur automatischen Phasennachstellung der Resonanzfrequenz des Vibrators an den Generator angelegt. Die von dem piezokeramischen Bauteil 4 erzeugten mechanischen Schwingungen werden durch die Konzentratoren 1 verstärkt und an die Resonanzmembranen 8 angelegt, die beiderseits mit der zu behandelnden Flüssigkeit beaufschlagt sind. Dabei werden die mechanischen Schwingungen bei Resonanzfrequenz proportional den mechanischen Eigenschaften der Membranen 8 zusätzlich verstärkt. Dadurch werden die anfänglichen mechanischen Schwingungen des piezokeramischen Bauteils 4 mehrfach (je nach der Belastung) verstärkt und ermöglichen es, die Belastung (die zu behandelnde Flüssigkeit) mit dem Vibrator praktisch vollständig abzugleichen, wodurch der elektroakustische Wirkungsgrad des gesamten Schwingsystems auf fast 100 % gesteigert werden kann. Der praktisch vollständige Abgleich des Vibrators mit der Belastung wird auch deshalb erreicht, weil das Wellenmaß ka der Membranen 8, die von beiden Seiten belastet sind (Regime des oszillierenden Kolbens ohne Abschirmung), so gewählt wurde, daß der relative aktive Widerstand die möglichen Höchstwerte, die 1 ,2 übersteigen, erreicht (siehe LN. Orlov, A.A. Shabrov. Berechnung und Planung von Antennen von hydroakustischen Fischortungsstationen /russ./, M., Izd-vo „Pistchevaya promyshiennost", 1974, S. 127, Abb. 61, Kurve 5).
Die zu behandelnde Flüssigkeit tritt von unter über den Eintrittsstutzen 17 in den Vibrator ein, durchströmt den unteren schlitzförmigen Spalt 14 und weiterden Ringspalt 11, die durchgehenden Bohrungen 9 und den oberen schlitzförmigen Spalt 14 und tritt über die axiale Öffnung 13 in der Blende 12 aus. Der Strömungsweg der zu behandelnden Flüssigkeit ist auf Abb. 3 im vergrößerten Maßstab mit dicken Pfeilen markiert. Dabei durchströmt die zu behandelnde Flüssigkeit die Vorrichtung praktisch im ständigen Kontakt mit der festen Initiierungsoberfläche der Resonanzmembranen 8 und in unmittelbarer Nähe der festen Oberflächen des Einsatzes 10 und der Blende 12, wodurch ein Höchstmaß an Kavitationseinwirkung gewährleistet wird. Anschließend strömt die zu behandelnde Flüssigkeit im Vibrator durch die axiale Bohrung des oberen Konzentrators 1 , die axiale Bohrung der Stiftschraube 2, die axiale Bohrung des oberen Konzentrators 1 und weiter wie vorstehend beschrieben, aber in umgekehrter Reihenfolge. Das bedeutet, die zu behandelnde Flüssigkeit durchströmt nacheinander die vier Kavitationszonen über die Initiierungsoberfläche und in der Nähe der festen Grenzen, wodurch eine qualitativ hochwertige Kavitationsbehandlung der Flüssigkeit gewährleistet wird, die durch die Einwirkung der Kavitation im Zuge des Durchströmens des Innenraums des Vibrators ergänzt wird.
Der vorstehend beschriebene Prozeß der Kavitationsbehandlung der durchströmenden Flüssigkeit kann wesentlich verstärkt werden (siehe Abb. 2), wenn mit Hilfe der Fokussiereinrichtungen 18 kräftige Brennpunkte 19 am Eingang und Ausgang der Dispergiervorrichtung erzeugt werden. In diesem Fall werden die schlitzförmigen Spalte 14 (siehe Abb. 3) durch die schalldurchlässigen Blenden 12 beiderseits der Resonanzmembranen 8 gebildet.
Bekanntlich kann der Prozeß des Emulgierens mit Ultraschall wesentlich verbessert werden, wenn er auf einer harten Oberfläche und unter hohen Schalldrücken abläuft (siehe Ultraschall. Kleine Enzyklopädie/russJ, von I.P. Golyamina, M-, „Sovetskaya Enziklopediya" 1979, S. 393). Ausgehend davon kann die angemeldete Dispergiervorrichtung in der Betriebsweise als Emulgiereinrichtung mit einem mit einem Emulgieraktivator (z.B. Metallnetz) gefüllten Innenraum und Halbwellenresonatoren ausgeführt werden und so der Schalldruck verdoppelt werden. Diese Konstruktion einer Durchfluß-Dispergiervorrichtung ist auf Abb. 4 gezeigt, bei der der Innenraum des Konzentrators 1 und der Halbwellenresonatoren 20 mit dem Kavitationsaktivator 21 gefüllt ist. In diesem Fall kommt die durch die Dispergiervorrichtung strömende zu behandelnde Flüssigkeit während der Ultraschallkavitation praktisch im gesamten Innenraum des Vibrators in Kontakt mit der entwickelten harten Oberfläche des Kavitationsaktivators 21 , wodurch Konzentration und Qualität der Emulsion wesentlich erhöht werden können. Um der Emulsion einen feindispersen Zustand zu geben, was beim Einsatz der Emulsion in einem Dieselmotor von besonderer Bedeutung ist, sind in der Dispergiervorrichtung nach Abb. 4 hochfrequente Sender 22 vorgesehen, die an der Eingangs- und Ausgangssfirnseite des Vibrators angeordnet sind (siehe Grundlagen der Physik und Technik des Ultraschalls. Lehrbuch für Hochschulen /russ./, M., „Vysshaya shkola", 1987, S. 177, Abb. 9.1). Die gemeinsame Einwirkung von Schallschwingungen des Ultraschallbereichs (z.B. 22 kHz) und des Hochfrequenzbereichs (z.B. 300 kHz) in den Halbwellenresonatoren (bezüglich niedrigerer Frequenz), in denen sich der Schalldruck verdoppelt, erlaubt es, eine qualitativ ausgezeichnete (monodispers und feindispers) und gesättigte Emulsion herzustellen, die über eine sehr hohe Stabilität verfügt.
Eine einfachere Variante der Ultraschall-Dispergiervorrichtung für Emulgierzwecke ist auf Abbildung 5 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung ist das Innenvolumen der zu behandelnden Flüssigkeit auf eine minimale Größe reduziert, was beim Einsatz derartiger Vorrichtungen an Dieselmotoren von Lastkraftwagen und Bussen von prinzipieller Bedeutung ist, da vor einem längeren Abstellen des Motors die Kraftstoffzufuhr auf reinen Kraftstoff umgestellt werden muß, damit es während der Standzeit nicht zu einem Auftrennen der Emulsion kommt und zum Vorliegen von Wasser in nichtdisperser Phase kommt, was für die Kraftstoffanlage eines Dieselmotors unzulässig ist. Hier ist eine bestimmte Zeit erforderlich, bis der gesamte Emulsionsvorrat aus dem Kraftstoffsystem verbraucht ist, und dessen Menge wird gerade durch das Innenvolumen der Dispergiervorrichtung bestimmt. Die Betriebsbedingungen derartiger Dieselmotoren (Eindringen von Wasser und Schmutz) erfordern den Einbau von Hochfrequenzsendern 22 von der Innenseite der Resonanzmembran 8 und die Führung der zu behandelnden Flüssigkeit im Vibrator durch die Rohre 23. In diesem Fall wird der innere schlitzförmige Spalt 14 als Halbwellenspalt nach der höheren Frequenz ausgeführt, um die Belastung der hochfrequenten Sender 22 zu reduzieren und eine Verdoppelung des Schalldrucks bezüglich der höheren Frequenz im schlitzförmigen Spalt 14 zu gewährleisten.
Für Schiffsdiesel sowie die Feuerungen von Heizkraftwerken und Kesselhäusern kommt Schweröl zum Einsatz, das zur besseren Zerstäubung bis auf Temperaturen von fast 100 °C vorgewärmt wird. In diesen Fällen wird die auf Abbildung 6 gezeigte Dispergiervorrichtung eingesetzt, wo zum Wärmeschutz der piezokeramischen Bauteile vor dem heißen Brennstoff das Durchgangsrohr 25 mit den Reflektoren an den Enden verwendet wird, die mit den Gummidichtringen 27 abgedichtet werden. Diese Konstruktion schützt das piezokeramische Bauteil vor der Gefahr einer Überhitzung und Depolarisierung.
In manchen Fällen, wenn besonders schwere Brennstoffe zum Einsatz kommen, reicht die einfache auf Abb. 6 gezeigte Behandlung zum Homogenisieren und Aufbereiten einer Emulsion nicht aus. In diesen Fällen kann die auf Abb. 7 dargestellte Vorrichtung zur Anwendung kommen, in der die zu behandelnde Flüssigkeit nacheinander acht Kavitationszonen durchströmt und dabei in jeder Kavitationszone (im schlitzförmigen Spalt 14) eine gewisse Verweilzeit aufweist, weil die Flüssigkeit durch Nuten in Form einer archimedischen Spirale geführt wird. Bei dieser Vorrichtung kommen zwei zylindrische Halbwellenaufsätze 28 zum Einsatz, die zusammen mit dem Vibrator ein einheitliches Schwingsystem bilden. Die zu behandelnde Flüssigkeit strömt in dieser Vorrichtung durch die Rohre 25 sowie durch die acht schlitzförmigen Spalte und tritt aus dem Vibrator in die Aufsätze 28 (und umgekehrt) durch die ringförmigen Spalte 11 über, die von den Muffen 29 mit den Spannmuttern 30 gebildet werden. Die Dichtheit dieser Verbindung wird durch die Dichtringe 31 aus Gummi gewährleistet. Diese Dispergiervorrichtung hat ausgezeichnete Einsatzchancen beim Crackingprozeß in der primären Erdölverarbeitung zur Steigerung der Ausbeute an hellen Produkten.
Es ist offensichtlich, daß die vorstehend beschriebenen Varianten von Durchfluß- Ultraschalldispergiervorrichtungen nicht alle möglichen Kombinationen der verschiedenen Ausführungen umfassen. Dieses neue Gebiet der Ultraschalltechnik steht erst am Anfang seiner Entwicklung, bietet jedoch große Perspektiven in den verschiedensten industriellen Bereichen.

Claims

Patentanspruch
1. Durchfluß-Ultraschalldispergiervorrichtung, die eine verstärkte Stiftschraube mit einer axialen Bohrung und einen Piezotransmitter mit zwei symmetrisch und koaxial angeordneten Konzentratoren, die als eine Einheit mit Platten und axialen Öffnungen mit Membranen an den Ausgangsstirnseiten und Öffnungen in ihnen ausgeführt sind, enthält, gekennzeichnet dadurch, daß die Konzentratoren mit variablem Innenquerschnitt ausgeführt und die Ausgangsstirnseiten der Konzentratoren mit Resonanzmembranen belastet sind, in deren Nähe und parallel zu ihnen schlitzförmige Spalte mit zentraler Zu- und Ableitung der zu behandelnden Flüssigkeit ausgeführt und auf den Seitenflächen der Befestigung der Resonanzmembranen auf Höhe ihrer ebenen Fläche Durchströmöffnungen angeordnet sind.
2. Ultraschaildispergiervorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die schlitzförmigen Spalte mit Hilfe schalldurchlässiger Blenden mit axialen Öffnungen ausgeführt sind. ... • < • - . . ...
3. Ultraschalldispergiervorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die - schlitzförmigen Spalte mit Hilfe von Reflektoren ausgeführt sind, die hermetisch auf den Stirnseiten der Rohre für den Durchtritt der zu behandelnden Flüssigkeit befestigt sind.
4. Ultraschalldispergiervorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die schlitzförmigen Spalte mit Hilfe von Hochfrequenzsendern ausgeführt sind, die hermetisch auf den Stirnseiten der Rohre für den Durchfluß der zu behandelnden Flüssigkeit befestigt sind.
5. Ultraschalldispergiervorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der freie Raum im Schwingsystem mit Kavitationsaktivator gefüllt ist.
6. Ultraschalldispergiervorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche der schalldurchlässigen Membranen oder Reflektoren von Seiten der Resonanzmembranen in Form einer spiralförmigen Nut vom Zentrum zum Rand (archimedische Spirale) ausgeführt ist.
7. Ultraschalldispergiervorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß am Eingang und am Ausgang des Piezotransmitters koaxial und symmetrisch Fokussiersysteme mit Reflektoren in Form von Rotationsparaboloiden und Brennflecken angeordnet sind, die in der Nähe der Eingangs- und Ausgangsöffnung liegen.
8. Ultraschalldispergiervorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß am Eingang und am Ausgang des Piezotransmitters zylindrische Halbwellenaufsätze mit Resonanzmembranen an den Stirnseiten, axialen Rohren und Reflektoren akustisch starr und koaxial befestigt sind.
9. Ultraschalldispergiervorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß am Eintritt und Austritt der Vorrichtung Halbwellenresonatoren angeordnet sind.
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