Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen und Tankmischsysteme

Körting Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen werden zu speziellen Tankmischsystemen zusammengefügt, welche sowohl für kontinuierliche als auch für diskontinuierliche Mischaufgaben eingesetzt werden. Diese sind vollwertiger Ersatz für mechanische Rührwerke und übertreffen in den meisten Fällen deren Mischergebnis.

Körting Mischdüsen installiert in einem Tank
Körting Mischdüsen installiert in einem Tank

Funktionsweise

Ein Flüssigkeitsstrom wird dem Tank entnommen und mittels einer Pumpe als Treibmedium der Mischdüse zugeführt. Innerhalb der Mischdüse wird Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt. Am Ausgang der Treibdüse wird ein Unterdruck erzeugt, durch den umgebende Flüssigkeit angesaugt wird. In der nachfolgenden Mischstrecke wird die Treibflüssigkeit stark mit der angesaugten Flüssigkeit vermischt und durch Impulsaustausch beschleunigt. Der Mitreißeffekt des austretenden Flüssigkeitsstromes, welcher die Mischdüse verlässt, verstärkt die Mischwirkung weiter.

Vorteile von Körting Mischdüsen

  • vollständige Durchmischung des Tankinhaltes
  • geringe Investitionskosten
  • verschleißarmer, langlebiger Betrieb - keine bewegten Maschinenelemente
  • keine Dichtungsprobleme - keine Wellendurchführungen
  • keine undurchmischten Totzonen
  • keine Wartung im Tank
  • niedriger Energiebedarf
Mischdüsen
Mischdüsen werden, je nach Anwendungsfall, individuell ausgelegt

Einsatzgebiete

  • Ejektoren in SBR-Anlagen mit Druckluftbetrieb
  • Durchmischung von Lagertanks, Treibstofftanks, 
    Klärbecken, Neutralisationsbecken, Reaktionsbehältern, Lebensmitteltanks, Regenrückhaltebecken
  • Homogenisierung verschiedener Fluide
  • Verhinderung Sedimentation
  • Vermeidung von Temperaturschichtungen
  • als Entleerungshilfe
Funktionsweise einer Körting Mischdüse
Funktionsweise einer Körting Mischdüse

Weitere Informationen

Betrieb, Anwendungsvoraussetzungen und -grenzen

Mischdüsen bestehen aus einer Treibdüse und einer Mischstrecke. Das flüssige Treibmedium, welches unter Druck durch den Treibanschluss der Düse zugeführt wird, wird normalerweise dem Tank über eine trocken aufgestellte mechanische Pumpe entnommen. In der Mischdüse wird der statische Druck des Treibmediums in Geschwindigkeit umgesetzt und dadurch ein Unterdruck an den Saugöffnungen der Düse erzeugt. Durch den Unterdruck an den Saugöffnungen wird ein Saugstrom erzeugt.

Saug- und Treibstrom werden sowohl in der turbulenten Zone am Auslass der Treibdüse, als auch in der nachfolgenden Mischpassage intensiv vermischt und daraufhin als Mischstrom in den Tank gefördert. Das Volumenverhältnis von Saug- zu Treibstrom beträgt in etwa 3:1. Der Mischstrom verlässt die Mischdüse mit einer relativ hohen Geschwindigkeit und trifft dabei auf die Flüssigkeit im Tank. Als Folge dieses Zusammentreffens entsteht ein Mitreißeffekt, so dass als Summe von Treib-, Saug- und Mitreißstrom die Flüssigkeit im Tank in Bewegung gesetzt wird.

Anwendungsvoraussetzungen und -grenzen

Treibstrom und Saugstrom werden innerhalb der Mischstrecke hinter der Treibdüse vermischt. Dadurch verlässt ein homogen vermischtes Fluid als Mischstrahl die Mischstrecke.

Wenn die physikalischen Eigenschaften der zu mischenden Flüssigkeit ähnlich der von Wasser sind, beträgt das Mischungsverhältnis von Treib- zu Saugstrom 1:3. Durch die Austrittsgeschwindigkeit und den dadurch verursachten Mitreißeffekt wird so viel umgebende Flüssigkeit in Bewegung gesetzt, dass der eingesetzte Treibstrom vervielfacht wird. Bei Flüssigkeiten mit hoher Viskosität werden das Mischungsverhältnis und der Mitreißeffekt geringer.

Die Anwendungsgrenze für die Mischdüsen ist dann erreicht, wenn die Viskosität der zu mischenden Flüssigkeit so hoch ist, dass eine Förderung mit Kreiselpumpen nicht mehr möglich ist. Der Treibstromdurchsatz durch die Mischdüsen einer bestimmten Größe wird durch den Treibdruck bestimmt. Wenn der Treibstrom dem zu  durchmischenden Tank  entnommen wird, müssen für den notwendigen Treibdruck sowohl die maximale Flüssigkeitshöhe im Tank, als auch die Reibungsverluste im Rohrleitungssystem mit berücksichtigt werden.

Soll der Treibstrom nicht dem zu durchmischenden Tank entnommen werden, muss die maximale Flüssigkeitshöhe über dem Auslass der Mischdüsen bei der Festlegung des notwendigen Treibdruckes berücksichtigt werden.

Aufbau und Funktion eines Tankmischsystems

Das Ziel einer Mischsystem-Auslegung ist ein, für jeden einzelnen Tank, maßgeschneidertes Tankmischsystem. Die Aufgabe eines Tankmischsystems ist die Erzeugung einer Flüssigkeitszirkulation des kompletten Flüssigkeitsvolumens, welche eine vollständige Durchmischung bewirkt und Sedimentationsprozesse zuverlässig verhindert. Eine zielgerichtete Strömung wird vom Mischsystem erzeugt. Dadurch werden Strömungsgeschwindigkeiten erreicht, die größer sind als  die Sinkgeschwindigkeiten der in der Flüssigkeit enthaltenen Partikel, so dass keine Sedimentationsvorgänge stattfinden können. Das Prinzip kann anhand der beiden folgenden Abbildungen erläutert werden:

Modell eines Körting Tankmischsystems Modell eines Körting Tankmischsystems in einem quadratischen Tank


Die jeweilige spezifische Anzahl an Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen, welche Ergebnis der Auslegung ist, wird auf zwei Rohrleitungen nahe des Tankbodens und der Tankwand aufgeteilt. Anhand der Form der Tankwand wird die Formgebung der Rohrleitungen festgelegt. Für einen runden Tank sind die Zuleitungen zu den Mischdüsen halbkreisförmig, während für einen rechteckigen Tank gerade Zuleitungen Verwendung finden. Über die Zuleitungen werden die Mischdüsen mit dem notwendigen Treibstrom versorgt. Die Treibleitungen werden gegenüberliegend im Tank angeordnet. Durch entsprechende Halterungen werden die Leitungen über dem Tankboden, beziehungsweise nahe der Tankwand fixiert. Die Dimensionierung der Zuleitungen erfolgt unter Berücksichtigung normaler Fließgeschwindigkeiten, um die Reibungsverluste in den Rohrleitungen gering zu halten. Die Größe der jeweiligen Mischdüsen, deren Ausrichtung, z.B. der Installationswinkel sowie der Abstand von einer Düse zur nächsten sind weitere Ergebnisse der Auslegung.

Eine Düsenreihe zeigt entlang des Tankbodens, um die notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten über dem Tankboden zu erzeugen. Die zweite gegenüberliegende Düsenreihe zeigt nach oben und erzeugt dadurch eine Aufwärtsströmung entlang der Tankwand. Durch diese zielgerichteten Strömungen wird eine Bewegung des kompletten Flüssigkeitsvolumens erzeugt. Um bei niedrigen Flüssigkeitsfüllständen Energie zu sparen, kann die nach oben zeigende Düsenreihe abgeschaltet werden.

Jede unterschiedliche Düsengröße hat, in Abhängigkeit der Flüssigkeitseigenschaften der zu mischenden Flüssigkeit, eine bestimmte Reichweite des bewegten Flüssigkeitsstromes. Für sehr große Tanks kann es daher notwendig sein, eine dritte Düsenreihe in der Mitte des Tankbodens zu platzieren, um über der ganzen Tankbodenfläche die notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen. Bei sehr hohen Tanks wird die nach oben zeigende Düsenreihe weiter entfernt vom Tankboden platziert, um eine optimale Durchmischung des gesamten Flüssigkeitsvolumens zu erreichen.

Durch die Möglichkeit verschiedene Düsengrößen einzusetzen, die Düsenreihen an jede Tankform anzupassen, die Abstände zwischen den einzelnen Düsen zu verändern, die Installationswinkel zu variieren sowie durch Flexibilität beim Betrieb der unterschiedlichen Düsenreihen, ist die Körting Hannover AG in der Lage für jede spezifische Anwendung ein optimales maßgeschneidertes Mischsystem anzubieten. Aufgaben der Mischsysteme sind zum Beispiel eine komplette Homogenisierung, die Verhinderung von Ablagerungen, die Vermeidung von Temperaturschichtungen oder die vollständige Vermischung von verschiedenen Flüssigkeiten.

Energieeinsparpotenzial und Eigenschaften eines Tankmischsystems für Speiseöl

Das untenstehende Bild vermittelt einen guten Eindruck eines kompletten Tankmischsystems in einem Lagertank für Speiseöl. 17 Mischdüsen aus Edelstahl sind nahezu horizontal eingebaut während gegenüberliegend 17 Mischdüsen nahezu vertikal eingebaut sind. Der Tank hat ein Volumen von 11000 m³ bei einer Füllhöhe von 25 m und einem Durchmesser von 24 m.

Installiertes Mischsystem in einem Tank für Speiseöl Beispiel

(Zylindrischer Lagertank)

  • V = 11000 m³
  • H = 25 m, D = 24 m
  • 34 Mischdüsen;
    CrNi-Stahl, 2“

Anordnung eines Mischsystems in einem zylindrischen Lagertank für Speiseöl

Das Ergebnis unserer Auslegung ist eine Skizze als Einbauempfehlung für den Kunden, welche Informationen zum optimalen Einbau des Mischsystems im Tank enthält. Für Sonderfälle oder für ungewöhnliche Anwendungen führen wir hierzu Computersimulationen durch, um diese Fälle bestmöglich bewerten zu können.

Vorteile

  • verschleißarme langlebige Düsen
  • keine Wartung im Tank
  • keine Dichtungsprobleme
  • geringe Investitionskosten
  • niedriger Energiebedarf
  • vollständige Durchmischung des Tankinhaltes
  • keine undurchmischten Totzonen

 

Energieeinsparpotenzial beim Einsatz von Körting Mischsystemen

Die potentielle Energiekosteneinsparung beträgt ca 27000 € pro Jahr!

Tankabmessungen

Durchmesser   27,6 m
Füllhöhe 10 m
Füllvolumen 5983 m²

Mischenergieeintrag

herkömmliches Umwälzsystem  10 W/m³
Körting Tankmischsystem 4 W/m³
Energieeinsparpotential 6 W/m³

Rechnung

6 W/m³ * 5983 m³  =  35,9 kW (35898 W)
35,9 kW * 8760 h/a =  314484 kWh/a
314484 kWh/a * 8,6 Ct/kWh  =  27046,– €/a

8,6 Ct/kWh = Elektrizitätskosten für Industriekunden in Deutschland, Wert für 2013

Numerische Strömungssimulation (CFD)

Für einen optimalen Einsatz der Mischdüsen führen wir eine Numerische Strömungssimulation (CFD) auf Basis der jeweiligen spezifischen Rahmenbedingungen durch. Durch diese Analyse können wir die genauen Leistungsdaten sowie die exakte Einbausituation errechnen und somit Totzonen innerhalb des Tanks vermeiden. Durch den Einsatz der numerischen Strömungssimulation liefert die Körting Hannover AG perfekt abgestimmte Mischsysteme, verringert den Energieeinsatz dieser und bietet zusätzlich klare Einbau- und Installationsanweisungen, die eine schnelle Inbetriebnahme ermöglichen

Numerische Strömungssimulation (CFD) am Beispiel eines Speiseöltanks für optimalen Einsatz ohne Totzonen.
Numerische Strömungssimulation (CFD) am Beispiel eines Speiseöltanks für optimalen Einsatz ohne Totzonen.
CFD-Grundlagen

Bei der Nutzung von numerischen Strömungssimulationsmodellen für Mischsysteme werden einige nützliche Vereinfachungen getroffen:

  • stationäres Modell (nicht transient)
  • turbulente Strömung, modelliert durch zwei Erhaltungsgleichungen
  • numerisches Gitter mit tetraedrischen Zellen
  • glatte Flüssigkeitsoberfläche
  • Modellierung von Rohrleitungen und Rohrleitungshalterungen, wenn notwendig
  • physikalische Eigenschaften des Treibmediums, zum Beispiel Heizöl mit einer hohen dynamischen Viskosität (bis zu 500 mPas)
Installiertes Mischsystem in einem Tank für Speiseöl

Numerisches Set-up für einen Lagertank
(D = 68 m; H = 23 m)

Mischdüsen: 60 x 2“
Tankvolumen: 80 000 m³

  • Erstellung einer CAD-Datei
  • Erzeugung eines numerischen Gitters
  • Lösung der Erhaltungsgleichungen
  • Ergebnisse der Berechnung

Numerische Strömungssimulation

Ziel der durchgeführten numerischen Strömungssimulation ist eine, hinsichtlich der bereits genannten Auslegungsstrategie, optimale Anordnung der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen im Tank. Als Basis der Untersuchungen wird ein mit Flüssigkeit gefüllter zylindrischer Tank gewählt.

Für kundenspezifische Untersuchungen können, mittels CFD, durch Wahl entsprechender physikalischer Stoffeigenschaften des Strömungsmediums bzw. spezieller Geometrievorlagen, die unterschiedlichsten Kombinationen aus Strömungsmedium und Tankgeometrie optimiert werden. Die zu untersuchende Tankgeometrie wird mit einem CAD-Programm nachgebildet. Die Geometrieinformation der einzelnen Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse wird direkt aus CAD-Systemen, die im Produktionsprozess eingesetzt werden, in digitalisierter Form importiert. Anzahl, Lage und Ausrichtung der simulierten Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen im Tank werden festgelegt, so dass die komplette Tankkonfiguration digital nachgebildet wird.

Die gesamte simulierte Geometrie, bestehend aus allen Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen und dem Tank mit Pumpenstutzen, wird mit dem so genannten Gittergenerator in ein Rechengitter umgewandelt, das die Basis für die numerische Strömungssimulation darstellt. Für jede der im Gitter erzeugten Zellen werden die strömungsmechanischen Grundgleichungen gelöst.

Das sind im Wesentlichen die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie. Zur Berücksichtigung der Turbulenz werden zusätzlich zwei Erhaltungsgleichungen gelöst. Alle Erhaltungsgleichungen werden mit dem so genannten Gleichungslöser gelöst. Für die Berechnungen wird vereinfachend von stationären Strömungsverhältnissen ausgegangen. Der gesamte Simulationsprozess von der Gittergenerierung bis hin zur Ergebnisdarstellung erfolgt weitestgehend automatisiert.

Die geometrischen Randbedingungen für die Simulation sind zum einen die Abmessungen des Tanks (Füllhöhe, Tankdurchmesser) sowie die Lage und Größe des Pumpenstutzens und zum anderen die Anzahl, Lage und Ausrichtung der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüsen. Die betrieblichen Randbedingungen werden durch den Treibdruck an der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse und die physikalischen Stoffeigenschaften des Treibstromes festgelegt.

Beispiele für die Ergebnisse von CFD-Berechnungen

Speiseöltank


H=30 m; D=19 m

CFD Simulation Speiseöltank Mischdüsen: 32 x 2 Zoll
Tankvolumen: 8500 m³
Treibstrom: 790 m³/h
Flüssigkeitsdichte: 910 kg/m³
Viskosität der Flüssigkeit: 35 mPas
Mischleistung: 5,2 W/m³
∅ mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 0,17 m/s

Abwassertank


H=14,6 m; D=42 m

CFD Simulation Abwassertank Mischdüsen: 25 x 2 Zoll
Tankvolumen: 20200 m³
Treibstrom: 770 m³/h
Flüssigkeitsdichte: 900 kg/m³
Viskosität der Flüssigkeit: 50 cpoise
Mischleistung: 4,2 W/m³
∅ mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 0,09 m/s

Abschreckbecken


H=16 m; D=2,9 m,
Füllhöhe=2,6 m

CFD Simulation Treibstofftank Tankvolumen: 60 m³
Treibstrom: 12,8 m³/h
Mischleistung: 320 W/m³
∅ mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 0,24 m/s

Haben Sie Fragen? Sprechen Sie uns an!

Bitte nutzen Sie unser Kontaktformular oder rufen Sie uns an (+49 511 2129-0), um direkt mit den Experten ins Gespräch zu kommen.