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Dokumentenidentifikation DE102004035701A1 16.03.2006
Titel Entspannungsventil zur Erzeugung von Microblasen
Anmelder FAN Separator GmbH, 59510 Lippetal, DE
Erfinder Eichler, Dieter, Dr., 83109 Großkarolinenfeld, DE;
Eichler, Frank, 01848 Hohnstein, DE
DE-Anmeldedatum 22.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004035701
Offenlegungstag 16.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.03.2006
IPC-Hauptklasse B03D 1/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist ein Entspannungsventil zur Erzeugung von Mikroblasen für Flotationsanlagen.
Entscheidendes Merkmal ist, daß luftgesättigte Flüssigkeit durch ein Kavitationsfeld geleitet wird. Bei hoher Geschwindigkeit kann hier Luft in den entstehenden Wasserdampf eindringen und Mikroblasen in einer Größe im µ-Meterbereich bilden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung in einem Ringspalt, der einerseits von der Außenkante der Düse und andererseits von dem im Außendurchmesser eines gleich großen Ventildeckels gebildet wird und dessen Höhe von außen über eine Ventilspindel eingestellt werden kann.
Vor der Entspannung im Ringspalt ist eine Düse angeordnet, die eine etwa 3-fach größere offene Fläche besitzt, wie sie für das Ausströmen unter dem anstehenden Druck erforderlich ist.
Durch tangentiale Schlitze in der Umlaufkammer wird die Flüssigkeit in eine solche Rotation versetzt, daß in der Düse ein hohlzylindrischer Flüssigkeitsring und in dessen Innerem eine zylindrische Dampfsäule entsteht, die von der Umlaufkammer durch die Düse bis in die Aussparung des Ventildeckels reicht.

Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet

Das Aufgabengebiet der Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Mikroblasen für Flotationsanlagen.

Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen

Im praktischen Betrieb von Flotationsanlagen werden zur Bildung von Mikroblasen einfache Ventile zur Entspannung der gasgesättigten Flüssigkeit eingesetzt.

An den Ventilkanten entsteht ein Kavitationsfeld, in dessen Unterdruckbereich diese Blasen entstehen.

Um diesen Vorgang zu optimieren und die Wirkung der Kavitation zu vergrößern, wurde in der Patentschrift DE 37 33 583 C2 zur Entspannung eine abgedeckte Hohlkegeldüse zum Einsatz gebracht. Neben der Nutzung der Kante der Düse wurde der über der Düse entstehende Hohlkegel als Kavitationsfeld genutzt.

Der Beginn der Entspannung liegt bei dieser Einrichtung unmittelbar über der Hohlkegeldüse. Beide Kavitationsfelder liegen somit im Bereich der Entspannung.

In den Schriften DE 25 42 240 C3, DE 44 39 037 C1 und AT 409 225 B werden Hohlkegeldüsen beschrieben, mit denen Flüssigkeiten in Lufträume eingespritzt werden. Ansprüche zur Erzeugung der Kavitation mit dem Ziel der Bildung von Mikroblasen werden darin nicht beschrieben.

Ziel der Erfindung

Die wichtigste Bedingung zur Erzeugung von Mikroblasen ist das Unterschreiten des Dampfdruckes der verwendeten Flüssigkeit. Entsprechend bekannter Tabellen liegt dieser Wert bei Wasser, beispielsweise bei 18° C, bei 0,02 bar und bei 60° C bei 0.2 bar.

Nach der Entspannung noch vorhandene Luft in gelöster Form in der Flüssigkeit wird nachträglich auf dem Weg zur Flotationszelle von den entstandenen Mikroblasen aufgenommen und vergrößert diese. Durch die so entstehende größere Oberfläche der Blasen verringert sich die Fähigkeit, sich an feine Partikel in der zu florierenden Flüssigkeit anzulegen. Die Folge ist eine Verschlechterung der Abscheideleistung insbesondere der schwer zu entfernenden feinen Bestandteile.

Das Ziel der Erfindung ist es daher, einen möglichst großen Anteil der in der begasten Flüssigkeit vorhandenen und in gelöster Form vorliegenden Luft in der Entspannungseinrichtung in Mikroblasen zu überführen.

Merkmale der Erfindung

Hinter den Kanten von Ventilen wird der Unterdruck durch die hohe Geschwindigkeit der austretenden Flüssigkeit bei der Entspannung erreicht.

Es wurde gefunden, daß ein Unterschreiten des Dampfdruckes vor der Entspannung der Flüssigkeit ebenfalls möglich ist und eine hohe Wirkung auf das Austreten von Luft in den Dampfraum und damit auf die Mikroblasenbildung ausüben kann.

Ein solcher, vor der Entspannung liegender Unterdruck wird durch Zentrifugalkräfte erreicht.

Die erfinderischen Merkmale sind dadurch gekennzeichnet, daß bereits in der Umlaufkammer ein Unterdruck erzeugt wird, der den Dampfdruck unterschreitet. Dazu wird bei der Auslegung der Düse davon ausgegangen, daß die durchzusetzende Menge an Flüssigkeit, unter Berücksichtigung des bei der Entspannung im Ringspalt anliegenden Druckes, zirka nur ein Drittel der Düsenfläche ausfüllt.

Daher müssen die Zentrifugalkräfte an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf so groß sein, daß sie einen Unterdruck erzeugen, der den Dampf aus der Flüssigkeit heraus in den Innenraum des rotierenden Hohlzylinders eindringen läßt. Aus diesem Grunde wird über die schlitzförmigen Öffnungen in der Wand der Umlaufkammer die Flüssigkeit mit einer solchen Geschwindigkeit eingeleitet, daß unter Berücksichtigung der Drallerhaltung im Bereich der Düse der Dampfdruck unterschritten wird. Da die Flüssigkeit bereits im Zentrum der Umlaufkammer die zugehörige Drehzahl erreicht, entsteht schon hier ein nach unten gerichteter Kegel aus Dampf.

Zur besseren Gestaltung des Verlaufes der Strömung wird über der Düse der Ventildeckel so gestaltet, daß die Dampfsäule in diesen Deckel hineinragen kann. Alle Kanten im Inneren der Düse und des Ventildeckels werden abgerundet.

In diesen Dampfraum kann eine ausreichende Menge an Luft eindringen und so den größten Teil des gelösten Gases aus der Flüssigkeit entfernen.

Erfindungsgemäß wird weiterhin zur Entspannung die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit und rotierend durch den von der Düse und dem Ventildeckel gebildeten Ringspalt gepreßt. Dabei kommt es zur intensiven Zerkleinerung des vorher entstandenen Dampf-Luft-Gemisches.

Die äußeren Durchmesser der Düse und des Ventildeckels sind gleich. Um an beiden Abrißkanten eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu erreichen, ist dieser Außendurchmesser gegenüber dem Durchmesser der Düse so klein wie möglich gehalten.

Noch in der Flüssigkeit enthaltene gelöste Gasanteile werden hier aus der Flüssigkeit herausgerissen.

Da die Abrißkanten besonders hohen Belastungen durch die hohe Geschwindigkeit der Strömung und durch die auftretende Kavitation ausgesetzt sind, wird aus Gründen des Verschleißes dieser Bereich in Hartmetall oder Hartkeramik ausgeführt.

Nach der Erzeugung der Mikroblasen erfolgt eine Kontrolle derselben durch eine Messung der Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkeit.

Schwankungen hinsichtlich der Temperatur, der Viskosität und der Dichte auf die Größe der erzeugten Mikroblasen können so, durch das Nachstellen des Abstandes zwischen der Düse und dem Ventildeckel, ausgeglichen werden.

Ausführungsbeispiel

Die 1 zeigt einen Querschnitt eines Düsenstockes mit einer Durchsatzleistung von 10 m3/h bei einem Druck von 3 bar.

Über den Zulaufstutzen (1) gelangt die mit Luft gesättigte Flüssigkeit in die zylindrische Vorkammer (2). Durch die tangentiale Anordnung des Stutzens wird die Flüssigkeit schon hier in Drehung versetzt. In der Mitte der Vorkammer befindet sich die ebenfalls zylindrische Umlaufkammer (3) mit seinen zwei tangentialen, in gleicher Drehrichtung angeordneten Eintrittsschlitzen (4).

Über der Umlaufkammer befindet sich die Düse (5) mit einer zentralen Öffnung. Diese Öffnung wird vom Ventildeckel (6) abgedeckt, in dem zur Gewährleistung guter Strömungsverhältnisse die Vertiefung (7) eingearbeitet ist.

Durch die Düse und den Ventildeckel, die beide einen gleichen Außendurchmesser besitzen, wird der Ringspalt (8) gebildet. Über die Ventilspindel (9) kann die Spaltweite eingestellt werden. Im Zentrum der Umlaufkammer und der Düse bildet sich vor der Entspannung der erste Kavitationsbereich.

Die ringförmigen Kanten an den Außendurchmessern von Düse und Ventildeckel bilden zwei Abrißkanten für die ausströmende Flüssigkeit und so zwei weitere ringförmige Kavitationsbereiche. Noch in der Flüssigkeit enthaltene gelöste Gasanteile werden hier aus der Flüssigkeit herausgerissen.

Um eine, an diesen beiden scharfen Kanten, ausreichende Standzeit zu erhalten, sind an der Düse und am Ventildeckel je ein Verschleißring (10) aus Hartmetall oder Hartkeramik angeordnet.

Über den oberen Raum (11) und den in gleicher Drehrichtung tangential angeordneten Auslaßstutzen (12) wird die nun mit Mikroblasen angereicherte Flüssigkeit aus dem Düsenstock herausgeführt.

Die 2 zeigt die vertikale Ansicht des Schnittes in Höhe der Achse des Zulaufstutzens (1) durch die Vorkammer (2) und die Umlaufkammer (3) mit seinen tangentialen zwei, in gleicher Drehrichtung angeordneten, Eintrittsschlitzen (4).

Auf der Grundlage der im Beispiel angegebenen Durchsatzleistung von 10 m3/h bei einem Druck von 3 bar wurden der Durchmesser der Düse (5) und der beiden Eintrittsschlitze (4) wie folgt berechnet:

Nach der Formel des Ausflusses von Flüssigkeiten aus Behältern (v = &mgr; √2gh) ergibt sich bei 3 bar eine Ausströmgeschwindigkeit von ca. 24 m/s. 10 m3/h fließen damit über die Fläche einer Öffnung von 115 mm2 aus. Da die engste Stelle im Durchgang durch den Düsenstock der Ringspalt mit einem Außendurchmesser von 30 mm ist, ist dieser etwa auf einen Abstand von ca. 1,2 mm einzustellen. Erfindungsgemäß hat die offene Düsenfläche zum Aufbau einer Dampfsäule etwa den 3-fachen Wert gegenüber der erforderlichen Ausflußfläche aufzuweisen. Gewählt wurde somit eine offene Düsenfläche 345 mm2, was einem Durchmesser von 21 mm entspricht.

Um bei dem anstehenden Pumpendruck von 3 bar, also 30 N/cm2 und der zur Überwindung des Normaldruckes notwendigen 10 N/cm2 eine sichere Ausdampfung zu erreichen, wird in der Berechnung der Rotationsgeschwindigkeit ein Wert von 40 N/cm2 angesetzt.

Der als Ring rotierende Flüssigkeitsstrom hat einen Massenschwerpunkt bei 8 mm. Aus der Formel zur Ermittlung der Zentrifugalkraft (F = mv2/r), ergibt sich daraus eine rotierende Strömungsgeschwindigkeit in der Düse von 17,9 m/s.

Aus dieser Geschwindigkeit wird die Geschwindigkeit des Eintrittes der Flüssigkeit durch die Schlitze der Umlaufkammer und daraus die Größe derselben berechnet.

Nach dem Satz der Drehimpulserhaltung (rDüse vDüse = rUmlaufkammer vUmlaufkammer) ergibt sich so, an den tangential in der Wand der Umlaufkammer angeordneten Schlitzen, eine rotierende Eintrittsgeschwindigkeit 5,7 m/s. Für den Durchsatz von 10 m3/h wurden somit zwei gegenüber liegende Eintrittsschlitze (4) mit einer Breite von 6 mm und einer Höhe von 40 mm vorgesehen.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen aus druckbegasten Flüssigkeiten zur Nutzung als Auftriebsmittel für Feinteile in Flotationsanlagen unter Nutzung eines schnell rotierenden Kavitationsfeldes, in dem durch die Zentrifugalkräfte ein solcher Unterdruck erzeugt wird, daß Dampf aus der Flüssigkeit austritt und dadurch feinste Luftblasen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung in einem Ringspalt erfolgt, der einerseits von der Außenkante der Düse und andererseits von dem im Außendurchmesser des gleich großen Ventildeckels gebildet wird, aufstromseitig vor dem Ringspalt eine Düse angeordnet ist, die eine etwa 3-fache offene Fläche besitzt, wie sie für das Ausströmen unter dem anstehenden Druck erforderlich ist und durch tangentiale Schlitze in der Umlaufkammer die Flüssigkeit in eine solche Rotation versetzt wird, daß in der Düse ein Hohlzylinder und im Inneren eine zylindrische Dampfsäule entsteht, die von der Umlaufkammer durch die Düse bis in die Aussparung des Ventildeckels reicht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Ringspaltes während des Betriebes der Einrichtung von außen über eine Ventilspindel eingestellt werden kann.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten des Ringspaltes mit dem gleichen Außendurchmesser sowohl der Düse wie des Ventildeckels von je einem Ring gebildet werden, der aus Hartmetall oder Hartkeramik hergestellt ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit über einen tangential angeordneten Stutzen in die Vorkammer eingeleitet wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit über einen tangential angeordneten Stutzen aus der oberen Kammer herausgeführt wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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