Schaumerzeuger
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaumer- zeuger, insbesondere zur Verwendung in einer Fahr- zeugwaschanlage. Ein Schaumerzeuger ist eine Vor- richtung zur Erzeugung von Schaum aus einem Gas, insbesondere Luft, Wasser und einem Hilfsstoff, (Tensid) welche der Vorrichtung zugeführt werden. Sogenannte Fluidisierungs- oder Fließbetteinrich- tungen, in denen eine Schüttung aus Feststoffteil- chen durch Hindurchpumpen eines Fluids in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt werden, in denen die vom strömenden Fluid in der Schwebe ge- haltenen Teilchen in der Lage sind, sich wie die Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases regel- los gegeneinander zu bewegen, werden in vielen Be- reichen der Technik eingesetzt. In DE 80 34 885 Ul ist als Stand der Technik ein Schaumerzeuger beschrieben, bei dem eine Kammer von einer Tensidlösung durchströmt wird und dadurch Kunststoffkugeln in der Kammer wie in einem Fließ- bett in Bewegung versetzt werden. Die Bewegung der Kugeln führt zur Bildung von Schaum in der Lösung, der zusammen mit der Lösung unter Druck aus der Kammer ausgestoßen wird. Als Nachteil dieses Schaumerzeugers wird unter anderem die Abnutzung der Kugeln im Betrieb beanstandet, und als Abhilfe wird ein Schaumerzeuger vorgeschlagen, die Kugeln durch in der Kammer ortsfest montierte Siebe zu er- setzen, durch die die Tensidlösung hindurchgepresst und dabei verschäumt wird.
Ein erster Nachteil dieser Lösung ist wiederum, dass zur Erzeugung von kleinblasigem Schaum eine große Zahl von Sieben benötigt wird und der Zusam- menbau des Schaumerzeugers mit steigender Zahl der Siebe immer aufwendiger wird.
Ein zweiter Nachteil liegt in der geringen Toleranz gegen Verunreinigungen in der Tensidlösung. Auto- waschanlagen arbeiten im Allgemeinen mit einem ge- schlossenen Wasserkreislauf, in dem das Wasser nach einem Waschvorgang aufbereitet und wiederverwendet wird. Wenn das Wasser nach der Aufbereitung noch Reste von Schwebstoffen enthält, beeinträchtigt dies nicht das Waschergebnis. Falls sich diese Schwebstoffe jedoch an den Sieben des in DE 80 34 885 Ul vorgeschlagenen Schaumerzeugers verfangen, führen sie zur Verstopfung- Dann muss der Schaumer- zeuger zerlegt und gereinigt werden, was für den Betreiber der Waschanlage zu erhöhtem Wartungsauf- wand und eventuell zu einer für die Kunden eventu- ell störenden Betriebsunterbrechung führt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Schaumberei- ter bzw. ein Betriebsverfahren für einen Schaumbe- reiter zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und geringem Wartungsbedarf Schaum von guter Homogeni- tät liefern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schaumerzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Solange die Partikel einer Schüttung in Ruhe sind und sich gegenseitig berühren, ist ihr Platzbedarf gering. Wenn ein Fluid von unten durch eine Schüt-
tung hindurchgepumpt wird und dabei Partikel an- hebt, dehnt sich die Schüttung aus. Der Volumenzu- wachs, bei dem Fluidisierung eintritt, ist von ver- schiedenen Parametern, insbesondere von der Form der Partikel und dem Grad ihrer Ordnung abhängig. Bei einer zufälligen Schüttung liegt er meist bei ca. 5%. Eine gitterartig geordnete Anordnung von Partikeln kann wesentlich dichter sein als eine zu- fällige Schüttung; dementsprechend ist hier der Vo- lumenzuwachs bis zur Fluidisierung größer.
Indem erfindungsgemäß die Schüttung die Schaumer- zeugungskammer so weit ausfüllt, dass die für die Fluidisierung erforderliche Ausdehnung nicht mehr möglich ist, wird die Fluidisierung unterdrückt. Weiträumige Bewegungen der Schüttungspartikel, die zu zahlreichen Zusammenstößen und in der Folge zu Verschleiß der Partikel führen, werden so verhin- dert.
Wenn die Strömung der Tensidlösung - die sich spä- testens in der Schaumerzeugungskammer des erfin- dungsgemäßen Schaumerzeugers aus dem eingespeisten Wasser und Tensid bildet - so stark ist, dass sie eine in ihrem Volumenzuwachs nicht eingeschränkte Schüttung fluidisieren würde, wird die Schüttung in der Schaumerzeugungskammer stattdessen in Richtung des Auslasses verschoben und dort von der Strömung festgedrückt, so dass Bewegungen der Schüttungspar- tikel gegeneinander unterdrückt werden.
Die Schaumerzeugung basiert nicht auf Bewegung der Partikel; im Gegenteil wird die Tatsache ausge- nutzt, dass der Strom des durch die Schüttung hin-
durchströmenden Gases sich auf eine Vielzahl von Foren zwischen den in Kontakt miteinander gehalte- nen Partikeln der Schüttving verteilen oruss. Da Schaum nur dort entsteht, wo in der Schüttung Gas und Flüssigkeit zusammentreffen., wäre es für eine effiziente Schaumerzeugung an sich sinnvoll, die Schaumerzeugungskammer komplett mit der Schüt- tung auszufüllen. Dann wären die Partikel der Schüttung vollends unbeweglich, und auch der Ver- schleiß wäre auf ein Minimum reduziert. Einer Wei- terbildung der Erfindung zufolge ist jedoch vorge- sehen, dass ein Anteil der Schaumerzeugungskammer von der Schüttung frei bleibt, dessen Größe wenigs- tens der Hälfte des zur Fluidisierung notwendigen Volumenzuwachses entspricht. Der Grund für diese Maßnahme ist, dass die Bewegung der Sehüttungspar- tikel, die dadurch jeweils beim Ein- und Ausschal- ten der Strömung ermöglicht wird, dafür sorgt, dass mit dem Wasser zugeführte und an den Partikeln der Schüttung hängengebliebene Schmutzteilchen losge- schüttelt werden, im Laufe der Zeit durch die Schüttung hindurchwandern und mit dem Schaum aus der Schaumerzeugungskammer ausgetragen werden. Ein Verstopfen der Schüttung durch von aufbereitetem Wasser mitgeführte Reststoffe ist daher ausge- schlossen.
Die Blasen des in dem Schaumerzeuger entstehenden Schaums sind um so feiner, je enger die Poren der Schüttung sind, deswegen ist eine Partikelgröße der Schüttung von maximal 5 mm bevorzugt.
Andererseits fuhren zu enge Poren auch zu einem ho- hen Druckabfall in der Schüttung, die den Durchsatz an Luft und Tensidlösung durch die Schüttung und damit die Produktivität des Schaumerzeugers beein- trächtigt. Deshalb sollte die Partikelgröße 1 mm nicht unterschreiten.
Wenn in der Schüttung große Partikel aufeinander- treffen, haben auch die von ihnen begrenzten Poren einen großen Querschnitt und erlauben hohe Strö- mungsgeschwindigkeiten. Deswegen ziehen in einer Schüttung mit Partikeln unterschiedlicher Größen die großen Poren einen überproportionalen Anteil des Massenstroms auf sich, während in den kleinen Poren nur ein schwacher, wenig turbulenter Massen- strom zustande kommt. Deshalb ist die Homogenität des Schaums umso besser und das für eine gegebene Schaumqualität benötigte Volumen der Schüttung umso kleiner, je einheitlicher die Größe der Partikel ist. Deswegen sollte die Schüttung zu wenigstens 90 Gew.% aus Partikeln bestehen, deren Größen sich ma- ximal um einen Faktor 2, besser noch maximal um ei- nen Faktor 1,5, unterscheiden. Noch homogenere Schüttungen sind technisch problemlos möglich, meist aber wegen ihres vergleichsweise hohen Prei- ses unattraktiv.
Die Qualität des Schaums hängt auch von der Höhe der Schüttung ab, die die Luft durchlaufen muss . Um einen feinblasigen Schaum von guter Homogenität zu erhalten, sollte die Höhe wenigstens dem 20 -fachen der mittleren Partikelgröße entsprechen. Wenn al- lerdings die Höhe der Schüttung das Hundertfache der mittleren Partikelgröße übersteigt, führt dies
allenfalls noch zu einer Steigerung des Druckab- falls, aber nicht mehr zu einer weiteren Qualitäts- verbesserung des Schaums. Als Material für die schüttung kommt jeder gegen die verwendete Tensidlösung stabile Werkstoff in Betracht . Eine besonders preiswerte Möglichkeit ist feiner Kies oder Splitt, ein Nachteil ist hier je- doch, dass die relativ rauhen Oberflächen dieser Materialien stark dazu neigen, die im wiederaufbe- reiteten Wasser mitgeführten Reststoffe anzulagern und sie auch bei der mit Bin- und Ausschalten der Fluidströmung verbundenen Erschütterung nur zöger- lich wieder freisetzen. Bevorzugt sind Schüttungen aus Materialien wie Kunststoff, Glas oder Metall, die mit geringem Aufwand mit glatteren Oberflächen produziert werden können. Kupfer oder Kupferlegie- rungen wie etwa Bronze können wegen ihrer das Keim- wachstum hemmenden Eigenschaften insbesondere dann von Interesse sein, wenn das Wasser in einer Wasch- anlage, die mit dem erfindungsgemäßen Schaumerzeu- ger ausgestattet ist, einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert . Eine bei guter Einheitlichkeit der Partikelgröße kostengünstige Schüttung kann aus Abschnitten eines Extrusionsprofils bestehen. Wenn das Extrusionspro- fil ein Hohlprofil ist, ist ferner ein hoher Poren- anteil der Schüttung erreichbar.
Einer bevorzugten Alternative zufolge sind die Schüttungspartikel Kugeln. Die Poren einer Kugel- schüttung haben jeweils mehrere von einem zentralen Bereich ausgehende, sich zu einem Kontaktpunkt zwi-
schen zwei Kugeln hin spitzwinklig verengende Fortsätze, in denen die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich niedriger ist als in dem zentralen Be- reich und die unter ständigem Richtungswechsel in- einander übergehen. Es genügt daher bereits ein ge- ringer Massendurchsatz an Luft und Tensidlösung, um in den Poren eine stark turbulente, effizient Schaum bildende Strömung zu erzeugen.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Schaumerzeugers, insbesondere eines Schaumerzeugers wie oben beschrieben, bei dem durch Hindurchpumpen eines Stroms von Wasser, Ten- sid und Gas durch eine Schüttung in einer Schaumer- zeugungskammer Schaum erzeugt wird und die Stärke des Stroms bemessen ist, um die Schüttung aus einer Ruhestellung an einer Einlassseite der Schaumerzeu- gungskammer in eine Arbeitsstellung an einer Aus- lassseite der Schaumerzeugungskammer zu verlagern und dort zu festzuhalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh- rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefüg- ten Figuren. Es zeigen:
Fig. l einen schematischen Schnitt durch den er- findungsgemäßen Schaumerzeuger in einem Ruhezustand;
Fig. 2 einen zu Fig. 1 analogen Schnitt durch den in Betrieb befindlichen Schaumerzeu- ger; und
Fig. 3 einen Schnitt durch einen zweiten erfin- dungsgemäßen Schaumerzeuger.
Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Schaumerzeuger im Schnitt entlang einer vertikalen Schnittebene. Eine Schaumerzeugungskammer 1 ist hier mit einem gemeinsamen Einläse 2 für Wasser, Tensid und Druck- luft an ihrem unteren Ende dargestellt. Alternativ könnten zwei oder drei Einlasse vorgesehen sein, um Luft und Flüssigkeit oder alle drei Komponenten erst in der Schaumerzeugungskammer 1 zusammenzufüh- ren.
Eine Schüttung 3 aus sphärischen Glasperlen 8 füllt die Schaumerzeugungskammer 1 zum größten Teil aus. Ein Sieb 4 am Boden der Schaumerzeugungskammer l verhindert ein Vordringen der Schüttung 3 in den Einlass 2. Ein weiteres Sieb 5 schließt die Schaumerzeugungskammer 1 nach oben ab. Ein Leerraum 6 zwischen der Oberfläche der Schüttung 3 und dem Sieb 5 nimmt wenige Prozent des Volumens der Schaumerzeugungskammer l ein.
Das Sieb 5 kann entfernt werden, um die Glasperlen 8 von oben in die Schaumerzeugungskammer 1 zu schütten. Die dabei entstehende Anordnung der Glas- perlen 8 ist lockerer als deren dichtestmögliche, regelmäßige Packung und kann durch Rütteln noch ge- ringfügig verdichtet werden; in der Praxis kann die Kammer 1 bis zur Einbauhöhe des Siebs 5 aufgefüllt werden, um durch anschließende Setzbewegungen der Perlen 8 den Leerraum 6 in geeigneter Größe zu bil- den.
Wenn nach Einfüllen der Perlen 8 das Sieb 5 wieder befestigt ist, kann der Schaumerzeuger in Betrieb genommen werden, indem Wasser, Tensid und Druckluft über den Einläse 2 eingespeist werden. Mit Hilfe von dem Einläse 2 vorgelagerten Dosierventilen kann das Verhältnis zwischen Luft, Wasser und Tensid eingestellt und so die Konsistenz des fertigen Schaums bestimmt werden. Der Gesamtmassenfluss aller drei Komponenten ist stark genug, um die Perlen 8 vom Boden der Schaumerzeugungskammer 1 abzuheben. Da die Schüt- tung 3 jedoch, bevor sie fluidisieren kann, von un- ten an das auslassseitige Sieb 5 stößt, kommt es lediglich zu einer einzigen ruckartigen Bewegung, mit der sich die gesamte Schüttung 3 vom Boden löst, um anschließend wie in Fig. 2 gezeigt an der Unterseite des Siebs 5 anzuliegen. Da sich dabei die Oberfläche der Schüttung 3 an das Sieb 5 anpas- sen muss, verschieben sich kurzzeitig die Perlen 8 gegeneinander; sobald die Schüttung sich an das Sieb 5 angeschmiegt hat, endet die Relativbewegung der Perlen 8. Reststoffe, die sich zuvor an den Perlen 8 abgelagert haben, werden durch diese Bewe- gung losgeschüttelt oder gar durch den Kontakt der Perlen 8 untereinander losgescheuert und dann von der Strömung von Wasser, Luft und Tensid so weit mitgespült, bis sie sich entweder an einer weiter stromab gelegenen Perle 8 wieder anlagern oder mit dem entstehenden Schaum 9 das Sieb 5 passieren und aus dem Schaumerzeuger über eine Überlaufkante 7 ausgetragen werden.
Nach Ausschalten der Zufi-Lhr von Luft, Wasser und Tensid fällt die Schüttung 3 wieder in die Ruhelage der Fig. 1 zurück. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Schaumerzeugers, bei der sich ein Einlass 2 für Luft, Wasser und Tensid am oberen Ende der Schaumerzeugungskammer 1 befindet, so dass die Schüttung 3 von oben nach un- ten, zum hier den Boden der Schaumerzeugungskammer 1 bildenden auslassseitigen Sieb 5, durchströmt wird und Schaum 9 durch das Sieb 5 nach unten aus- tritt. Bin Leerraum 6 über der Schüttung 3 hat die- selbe Größe wie im Falle der Fig. 1 und 2. Beim Schaumerzeuger der Fig. 3 ruht die Schüttung 3 sowohl im Betrieb als auch bei ausgeschalteter Strömung auf dem Sieb 5. Da der Strom des Wassers hier jedoch nicht durch ein einlassseitiges Sieb verteilt wird, sondern als Strahl auf die Schüttung 3 trifft, werden deren Perlen 8 jedes Mal beim Ein- schalten der Strömung aufgewirbelt, so dass Ablage- rungen aufgewirbelt und weggespült werden. Sobald jedoch die Strömung stabil ist, ist durch das ge- ringe Volumen des Leerraums 6 sichergestellt, dass diejenigen Perlen 8, die ihn begrenzen, von der Strömung fest gegen die dahinterliegenden Perlen 8 gedrückt und unbeweglich gehalten werden.
