DE102015225728B3 - Arrangement for mixing - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Durchmischung eines Mediums mit einem Element (1) zur Erzeugung einer Bewegung in dem Medium. Das Element (1) steht mit einem Antrieb (2) in Verbindung. Der Antrieb (2) weist ein Material (5) zur Durchführung einer thermischen Änderung seiner geometrischen Abmessungen auf. Der Antrieb steht mit dem Element (1) zur Farmänderung in Verbindung. Durch die Formänderung wird eine Durchmischung des Mediums bewirkt.The invention relates to an arrangement and a method for mixing a medium with an element (1) for generating a movement in the medium. The element (1) is in communication with a drive (2). The drive (2) has a material (5) for performing a thermal change of its geometric dimensions. The drive communicates with the farm change element (1). The change in shape causes thorough mixing of the medium.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchmischung eines Medium mit einem Element zur Erzeugung einer Bewegung in dem Medium, wobei das Element mit einem Antrieb in Verbindung steht.The invention relates to an arrangement for mixing a medium with an element for generating a movement in the medium, wherein the element is in communication with a drive.
Mischen ist eine Grundoperation in der mechanischen Verfahrenstechnik. Anordnungen zur Durchmischung kommen bei mischtechnischen Vorgängen zum Einsatz, bei denen Bestandteile von mindestens zwei getrennt vorliegenden Komponenten durch Relativbewegung so umpositioniert werden, dass ein neues Anordnungsschema entsteht.Mixing is a basic operation in mechanical engineering. Arrangements for mixing are used in mixing-technical processes in which components of at least two separately present components are repositioned by relative movement so that a new arrangement scheme arises.
Häufig liegt dabei eine Hauptphase als kontinuierliche Phase vor während eine Zusatzphase anfangs diskontinuierlich vorhanden ist. Je nachdem in welchem Aggregatzustand die Phasen vorliegen spricht man bei dem Mischvorgang auch von Homogenisieren, Suspendieren, Emulgieren oder Begasen. Unter Homogenisieren versteht man das Vermischen von Gasen oder ineinander löslicher Flüssigkeiten. Als Suspendieren bezeichnet man das Verteilen fester Teilchen in Flüssigkeiten. Emulgieren ist das Verteilen von Flüssigkeitströpfchen in Flüssigkeiten. Beim Begasen werden Gasblasen in Flüssigkeiten verteilt.Frequently, a main phase is present as a continuous phase, while an additional phase is initially present discontinuously. Depending on the state of aggregation in which the phases are present, the mixing process is also referred to as homogenizing, suspending, emulsifying or gassing. Homogenizing is understood to mean the mixing of gases or liquids which are soluble in one another. Suspending is the distribution of solid particles in liquids. Emulsifying is the distribution of liquid droplets in liquids. When gassing gas bubbles are distributed in liquids.
Anordnungen zum Durchmischen von Medien sind beispielsweise aus der
Die
In der Verfahrens- und Abwassertechnik werden häufig Rührwerke eingesetzt. Ein besonders geeignetes Verfahren zur Umwälzung von Flüssigkeitsvolumen besteht im Einsatz von Tauchrohrrührwerken, welche einen Motor aufweisen, der einen Propeller antreibt, wobei der Motor vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht arbeitet.In process and wastewater technology stirrers are often used. A particularly suitable method of circulating fluid volumes is to use immersion tube agitators having a motor that drives a propeller, with the engine fully immersed in the fluid.
Tauchrohrrührwerke bewirken eine Verteilung von Schmutzteilchen, Gasen oder anderen Stoffen in einem Becken, indem durch die Propellerhydraulik sehr große Impulskräfte bei niedrigem Energieeintrag übertragen werden und dadurch die Suspension total durchmischen.Immersion tube agitators cause a distribution of dirt, gases or other substances in a tank by the propeller hydraulics very large impulse forces are transmitted at low energy input and thereby mix the suspension totally.
In der
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Durchmischung anzugeben, die weitgehend unabhängig von herkömmlichen Energiequellen arbeiten kann. Weiterhin soll ein Verfahren zur Durchmischung eines Mediums angegeben werden, das auch ohne aufwendige Infrastruktur bzw. ohne lange Versorgungsleitung betrieben werden kann. Auch soll sich die Anordnung zur Durchmischung durch eine lange Lebensdauer, eine zuverlässige Arbeitsweise und möglichst geringen Anschaffungs- bzw. Betriebskosten auszeichnen.The object of the invention is to provide an arrangement for mixing, which can operate largely independently of conventional energy sources. Furthermore, a method for mixing a medium is to be specified, which can be operated without a complex infrastructure or without a long supply line. Also, the arrangement for mixing by a long life, a reliable operation and the lowest possible acquisition or operating costs should be distinguished.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Varianten sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.This object is achieved by an arrangement with the features of
Erfindungsgemäß weist der Antrieb ein Material zur Durchführung einer thermischen Änderung seiner geometrischen Abmessung auf. Durch Wärmeentwicklung dehnt sich das Material aus oder zieht sich zusammen. Aufgrund der Wärmeausdehnung bzw. Wärmeschrumpfung ändert sich die Länge, der Flächeninhalt bzw. das Volumen des Körpers, der aus diesem Material gefertigt ist.According to the invention, the drive has a material for performing a thermal change of its geometric dimension. By heat development, the material expands or contracts. Due to the thermal expansion or heat shrinkage changes the length, the surface area or the volume of the body, which is made of this material.
Erfindungsgemäß steht das Material mit dem Element der derart in Verbindung, dass die Änderungen der geometrischen Abmessungen des Materials eine Formänderung des Elements hervorrufen. Diese Formänderung des Elements führt zur Durchmischung des Mediums.According to the invention, the material is associated with the element in such a way that the changes in the geometric dimensions of the material cause a change in shape of the element. This change in shape of the element leads to the mixing of the medium.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Material um eine Formgedächtnislegierung. Formgedächtnislegierungen (englisch: Shape Memory Alloy, Abkürzung: SMA) sind spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Sie werden oft auch als Memory-Metalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung zu erinnern scheinen.In a particularly favorable variant of the invention, the material is a shape memory alloy. Shape memory alloys (abbreviation: SMA) are special metals that can exist in two different crystal structures. They are often referred to as memory metals. This is due to the phenomenon that they seem to be reminiscent of an earlier shaping despite subsequent severe deformation.
Vorzugsweise wird als Material eine Nickel-Titan-Legierung eingesetzt. Diese zeichnen sich durch besonders große Effekte bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus. Bei Temperaturänderung vollzieht sich ein Phasenübergang. Preferably, a nickel-titanium alloy is used as the material. These are characterized by particularly large effects combined with high strength. When the temperature changes, a phase transition takes place.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung weist der Antrieb zudem ein Material zur Oxidation auf. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein katalytisches Material, wobei sich insbesondere ein platinhaltiges Material eignet. Bei einer Variante der Erfindung werden Nanopartikel von Platin eingesetzt. Diese werden bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf winzigen Röhren aus Kohlenstoff aufgetragen.In a particularly favorable variant of the invention, the drive also has a material for oxidation. Preferably, this is a catalytic material, wherein in particular a platinum-containing material is suitable. In one variant of the invention, nanoparticles of platinum are used. These are applied in a particularly preferred embodiment of the invention on tiny tubes made of carbon.
Das Material kommt mit mindestens einem Stoff in Kontakt, der mit Sauerstoff in einer katalytischen Reaktion umgesetzt wird. Bei den Stoffen kann es sich beispielsweise um Wasserstoff oder organische Verbindungen wie beispielsweise Methanol handeln. Bei einer Variante der Erfindung werden als Stoffe organische Verbindungen eingesetzt, die im Wasser gelöst sind. Dabei kann es sich beispielsweise um Zucker oder Kohlenhydrate wie zum Beispiel Stärke handeln. Insbesondere verschmutzte Gewässer weisen häufig eine Vielzahl an organischen Substanzen auf, welche sich als Stoffe für eine oxidative Umsetzung eignen.The material comes into contact with at least one substance which is reacted with oxygen in a catalytic reaction. The substances may be, for example, hydrogen or organic compounds such as methanol. In one variant of the invention, organic compounds which are dissolved in the water are used as substances. These may be, for example, sugars or carbohydrates such as starch. Polluted waters, in particular, often have a large number of organic substances which are suitable as substances for oxidative conversion.
Durch die exotherme oxidative Umsetzung wird Wärme freigesetzt, die an das Material zur Durchführung einer thermischen Änderung übertragen wird. Durch den Temperaturanstieg ändern sich die geometrischen Abmessungen und es kommt zu einer Längen-, Flächen- bzw. Volumenänderung, die zu einer Formänderung des Elements führen.The exothermic oxidative reaction releases heat which is transferred to the material to effect a thermal change. Due to the temperature increase, the geometric dimensions change and there is a change in length, area or volume, which lead to a change in shape of the element.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist das für die Oxidation verantwortliche Material um das Material angeordnet, welches eine thermische Änderung der geometrischen Abmessung durchführt. Beispielsweise kann das Material zur thermischen Änderung stabartig, vorzugsweise in Form eines Zylinders, ausgebildet sein. Um diesen stabartigen Körper ist dann das Katalysatormaterial angeordnet, wobei dieses vorzugsweise einen hohlzylindrischen Körper bildet. An der äußeren, ringförmigen Katalysatorhülle läuft die exotherme Oxidationsreaktion ab und überträgt die Wärme an den inneren Kern, der eine Längenänderung aufgrund des Temperaturanstiegs durchführt.In a particularly favorable variant of the invention, the material responsible for the oxidation is arranged around the material, which performs a thermal change of the geometric dimension. For example, the material for thermal modification may be rod-like, preferably in the form of a cylinder. The catalyst material is then arranged around this rod-like body, this preferably forming a hollow-cylindrical body. On the outer annular catalyst shell exotherms the oxidation reaction and transfers the heat to the inner core, which performs a change in length due to the temperature rise.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung besteht das Element zumindest teilweise aus einem elastischen Material. Vorzugsweise eignet sich ein gummielastisches Material. Beispielsweise kann das Element aus einem Silikonkautschuk oder einem Silikonelastomer bestehen. Somit ist das Element elastisch verformbar.In a particularly advantageous variant of the invention, the element consists at least partially of an elastic material. Preferably, a rubber-elastic material is suitable. For example, the element may consist of a silicone rubber or a silicone elastomer. Thus, the element is elastically deformable.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung weist das Element einen sichelförmigen Querschnitt auf. Das Element ist vorzugsweise als glockenförmiger Körper ausgebildet.In a particularly favorable embodiment of the invention, the element has a crescent-shaped cross section. The element is preferably formed as a bell-shaped body.
Das Element steht bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung über ein Verbindungselement mit dem Antrieb in Wirkverbindung. Bei dem Verbindungselement kann es sich beispielsweise um einen Draht handeln, der an dem Element angebracht ist und bei einer Kontraktion eines Materials des Antriebs das Element in eine Richtung verformt, sodass Medium gefördert wird. Bei einer besonders günstigen Variante ist das Verbindungselement zumindest teilweise in dem Element angeordnet. So kann ein als Draht ausgebildetes Verbindungselement in der elastischen Masse, aus der das Element besteht, eingebettet sein.The element is in an advantageous variant of the invention via a connecting element with the drive in operative connection. For example, the connecting element may be a wire attached to the element and, in the event of a contraction of a material of the drive, deform the element in one direction so that medium is conveyed. In a particularly favorable variant, the connecting element is arranged at least partially in the element. Thus, a connecting element formed as a wire can be embedded in the elastic mass of which the element consists.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung weist die Anordnung zur Durchmischung ein Rückstellelement auf, welches nach einer Verformung des Elements durch den Antrieb das Element zurückverformt.In a particularly favorable embodiment of the invention, the arrangement for mixing a restoring element, which deforms the element after a deformation of the element by the drive.
Während einer ersten Phase kommt es zu einer thermischen Änderung eines Materials des Antriebs, die zu einer Formänderung des Elements führt. In einer zweiten Phase sorgt das Rückstellelement dafür, dass das Element in seine Ausgangsposition zurückkehrt.During a first phase, there is a thermal change of a material of the drive, which leads to a change in shape of the element. In a second phase, the return element ensures that the element returns to its original position.
Die zuvor beschriebenen Phasen wiederholen sich zyklisch.The phases described above repeat themselves cyclically.
Bei dem Rückstellelement kann es sich beispielsweise um ein Federelement handeln, die als Rückstellfeder fungiert, insbesondere ein Blattfederelement.The restoring element can be, for example, a spring element which acts as a return spring, in particular a leaf spring element.
Bei einer Variante der Erfindung ist das Rückstellelement in das Element integriert. Beispielsweise kann eine Rückstellfeder in das aus einer elastischen Masse gefertigte Element eingebettet sein.In a variant of the invention, the return element is integrated into the element. For example, a return spring may be embedded in the element made of an elastic mass.
Vorzugsweise ist der Antrieb an einem Ende ortsfest festgelegt. Mit dem anderen Ende steht der Antrieb über ein Verbindungselement mit dem Element in Verbindung. Durch die Kontraktions- und Expansionsvorgänge im Antrieb entsteht dadurch eine Verformungsbewegung des Elements, welche zu einer Durchmischung des Mediums führt.Preferably, the drive is fixed in place at one end. At the other end, the drive is connected to the element via a connecting element. As a result of the contraction and expansion processes in the drive, this results in a deformation movement of the element, which leads to thorough mixing of the medium.
Als besonders günstig erweist es sich, wenn der Antrieb in einem Raum angeordnet ist, der abgeschlossen ist gegenüber dem zu durchmischenden Medium.It proves to be particularly favorable if the drive is arranged in a space that is closed off from the medium to be mixed.
Der Raum weist einen Einlass auf, durch den die Edukte für die Oxidation dem Katalysatormaterial zuströmen. An dem Material findet eine katalytische Oxidation statt. Dabei kann es sich um eine Totaloxidation mit den Produkten Wasser bzw. Kohlendioxid handeln oder um eine Partialoxidation, bei der auch Kohlenmonoxid oder organische Produkte entstehen können.The space has an inlet through which the educts for the oxidation flow to the catalyst material. The material undergoes catalytic oxidation. This may be a total oxidation with the products water or carbon dioxide or a partial oxidation in which carbon monoxide or organic products may also be formed.
Ein Stoffstrom mit den entstandenen Produkten und den nicht umgesetzten Edukten verlässt den Raum durch einen Auslass.A stream of the resulting products and the unreacted educts leaves the room through an outlet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben durch Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst.Further features and advantages of the invention will become apparent from a description of an embodiment with reference to a drawing and the drawing itself.
Dabei zeigtIt shows
Die
Die Anordnung umfasst ein Element
Das Element
Der Antrieb umfasst ein erstes Material
Bei dem stabartigen Kern des Antriebs
Die ringförmige äußere Hülle des Antriebs
Durch einen Einlass
Der Raum
Der oxidierende Stoff wird mit dem Oxidationsmittel am katalytischen Material
Bei der exothermen Reaktion wird Wärme frei, die an den inneren Kern des Antriebszweigs übertragen wird. Das Material
Dadurch wird das drahtartige Verbindungselement
Bei der Verformung des Elements
In einer zweiten Phase endet die Oxidationsreaktion am Material
Die zuvor beschriebenen Phasen wiederholen sich zyklisch.The phases described above repeat themselves cyclically.
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