本发明涉及将固体材料(特别是粉末或颗粒)或液体溶解在目标液体中的领域。
背景技术：
用于将粉末或颗粒溶解在液体中的装置是已知的。
ep0486933b1描述了一种用于将固体铺位材料溶解在位于容器中的液体(在下文中称为目标液体)中的设备。该设备具有用于固体铺位材料的第一馈送管线和用于液体的第二馈送管线。此外提供循环管线，循环管线将其中溶有材料的液体再循环到容器中。该容器具有面向挡板盘的出口喷嘴，其布置成使得一起添加到回路中的循环液体与固体材料在它们离开喷嘴时撞击挡板盘。
所述解决方案的缺点在于由于其结构而需要很大的竖直空间，因为用于固体铺位材料的管线和循环管线在它们汇合的区域中必须基本上竖直。因此，包含所述设备的装置的灵活性在空间方面受到限制。
另一个缺点是溶解速度相对较慢，并且已经观察到固体材料在挡板盘处的粘附或堵塞或沉积，从而导致定期清洁挡板盘周围区域的高维护工作量。在糖在糖溶液中溶解的情况下特别注意到这个缺点。
技术实现要素：
一个目的是提高溶解装置的结构灵活性并提高溶解效率。
该目的由独立权利要求解决。
在本发明的第一方面中，作为目标液体流过挡板管段的障碍物的挡板管段包括：具有纵轴的段壳体和布置在目标液体的路径中并附接到所述段壳体的挡板元件。挡板元件将挡板管段分隔成相对于目标液体通过挡板管段的流动方向布置在挡板元件上游的输入侧和相对于目标液体通过挡板管段的流动方向布置在挡板元件下游的输出侧。在段壳体和挡板元件之间形成狭缝，目标液体通过狭缝从输入侧流到输出侧。挡板元件包括朝向输入侧的至少一个第一正弯曲部。第一弯曲部形成挡板元件的面向输入侧的整个表面的至少一部分。狭缝由内壁和外壁界定。内壁由挡板元件的壁部分形成，该壁部分基本沿纵轴的方向延伸。狭缝的外壁由所述段壳体的一部分形成，其中所述狭缝沿着所述段壳体的圆周的一部分在与所述纵轴垂直的方向上延伸。段壳体优选为管状的。
挡板管段的设计具有增加通过狭缝的目标液体的流动速度的效果，因为预先流过挡板管段的整个横截面的液体必须穿过狭缝的相对小的横截面。因此，目标液体在管段的输出侧产生湍流的能力较高，这对于更有效的溶解是期望的。
在本发明的第二方面中，用于将材料溶解在目标液体中的注射器装置包括至少根据本发明的第一方面的挡板管段。其还包括：用于输送由目标液体和溶解在其中的材料组成的混合物的第一管段；连接到第一管段的第二管段，其用于将目标液体供应到第一管段中；以及连接到第一管段的第三管段，其用于将材料供应到第一管段中。有利的是，注射器装置可以在期望位置插入用于溶解液体的装置中，因为它是独立的模块。
在一种形式的注射器装置中，挡板管段在目标液体的路径中附接在第一管道内部。
在另一种形式的注射器装置中，挡板管段连接在第一管段和第二管段之间。优选地，挡板管段垂直于纵轴连接。
在两种形式中，挡板管段都沿着纵轴布置，使得第二管段在其输入侧连接，而第三管段在其输出侧连接。在两种形式中，挡板管段都具有围绕纵轴的使得挡板管段的狭缝与第三管段的出口之间的距离最大的旋转位置。
有利地，具有挡板管段的喷射器装置允许材料在目标液体中更好地溶解，这是由于在输出端(因此在挡板管段下游)的材料输入的安排，因为在输出侧在紧接挡板元件之后的区域内实现了强烈的湍流。此外，避免了堵塞和沉积，因为在输出侧在紧接挡板元件之后的区域内实现了对材料的显著抽吸效应。已经观察到，在注射器装置中发生期望的副作用，在于：由于在挡板元件和插入的材料之间不存在直接的冲击，所以不会向第三管的输出端发生飞溅。在描述本发明的优选实施方式的上下文中，所述优点将变得更加明显。另外，具有挡板管段的喷射器装置可以通过将第一、第二和第三管的自由端分别连接到相应的出口或供应管而被用作成品模块，该模块可以容易地插入到处理装置中。
在本发明的第三方面中，用于溶解固体或液体材料的溶解装置至少包括根据本发明的第二方面的注射器装置，还包括：连接到所述第二管段的用于提供目标液体的至少第一供应容器；至少第一泵，其用于将目标液体从第一供应容器通过第二管段向第一管段输送；以及至少材料剂量单元，其用于调节每单位时间供给到第一管段中的材料的量。
有利的是，具有根据本发明的第二方面的一个或多个溶解装置的溶解装置已被发现比普通解决方案更节能，因为材料可以直接从含有该材料的筒仓中抽出(通过目标液体的抽吸效应)，这与材料必须被带入溶解装置的已知解决方案相反。
优选地，第一泵是可变流量泵，换言之，其允许调节由其传送的液体的液体量。这使得关于目标液体的最佳流速具有较高的灵活性，以实现最佳溶解。
在实施方式中，溶解装置或者用于分批地或者连续地将材料溶解到目标液体中，优选在食品工业中。这使得溶解装置就使用方法而言是灵活的。例如，根据本发明的第三方面的溶解装置适用于卸载筒仓卡车，例如，卸载含有待溶解的粉状材料的筒仓卡车。
在实施方式中，溶解装置用于将多种成分混合到目标液体中，其中成批的注射器装置沿溶解装置的主管线串联布置。因此，另一个优点是可以在一个溶解装置中使用根据本发明第二方面的一系列注射器装置。例如，可以将多种成分混合到目标液体中，每种成分通过自身的注射器装置引入。
注意到不仅固体材料(如粉末和颗粒)可以溶解在目标液体中，而且其它液体也可以代替粉末或颗粒使用。在这种情况下，上述湍流特别有用，因为它实质上有助于两种液体的快速混合。当然，在具有多个注射器装置的应用中，也可以考虑将例如粉末和液体的组合引入目标液体中。
附图说明
本发明的实施方式、优点和应用由从属权利要求和从下面借助附图的描述得出。它显示在：
图1是挡板管段的一个实施方式的透视图，
图2是注射器装置的一个实施方式的横向截面图，
图3是图2的注射器装置的所述实施方式的透视图，以及
图4是溶解装置的示意图。
具体实施方式
在下文中，相同的附图标记表示本发明的各种实施方式的结构上或功能上相同的元件。
为了本文的目的，术语“材料”是指固体松散材料(如粉末或颗粒)，但也指液体。注意的是，在作为要被插入到目标液体中的材料的液体的情况下，本文中使用的术语“溶解”应理解为两种液体的混合，并且由于简化的原因被用作通用术语。
此外，待溶解的材料也可以由多个组分组成，这些组分可以是例如从不同的储存容器中吸入到目标液体中。
在本文的上下文中，术语狭缝的“内壁”和“外壁”应相对于溶解装置的纵轴来理解。因此，内壁比外壁更靠近所述纵轴。
在挡板元件的弯曲部的上下文中的术语“正”应被理解为在相应方向上的凸缘或凸起。
术语“流动方向”相应地是指目标液体或混合液体的主要流动方向，并且不考虑由于湍流而发散的局部流动方向。应该理解为基本平行于纵轴z。
图1示出了具有纵轴z的挡板管段1的一个实施方式的透视图。挡板管段1具有在其内部布置有挡板元件3的段壳体8。挡板元件3相应地垂直于流动方向或纵轴布置，并具有称为第一正弯曲部3a的弯曲部分和平坦部分3b。挡板元件3的尺寸使得狭缝14保持打开，以允许目标液体从挡板管段1的输入侧通向输出侧。
优选地，如图1所示，狭缝14形成为环形空间，其具有内壁14a和外壁14b。内壁14a优选由挡板元件3的一部分形成，并且外壁由段壳体8形成。优选地，环形空间相对于挡板管段的纵轴z同心，换句话说，内壁14a和外壁14b分别形成以纵轴z为中心的圆形截面。在其端部，狭缝由挡板元件3形成的两个末端壁14c限制。这些壁14c优选被倒圆(rounded)。在该实施方式中，狭缝14形成为环形空间，但其他形状也是可能的。在这种情况下，该指出的是，狭缝的外壁14b在大多数情况下是圆形的(圆形截面)，因为它是由段壳体8限定的，段壳体8本身通常是跟随正常管的管状形状的圆形。然而，根据挡板元件3的形状，内壁14a可以与所示的形状不同。例如，挡板元件3可以具有限定狭缝14的内壁14a的直边段(straightsection)。
优选的是，狭缝14沿着其延伸的段壳体8的圆周部分是段壳体8的总圆周的最大2/3。以这种方式，目标液体流过狭缝14的速度与目标液体穿过输入侧和输出侧的速度相比足够高。优选狭缝14具有用于目标液体的通过区域(throughputarea)，使得通过狭缝14的目标液体的传送速度是目标液体的输入侧速度的约六倍。在典型的实例中，目标液体以4m/s左右的输入侧速度在输入侧到达狭缝，并且在通过狭缝时达到约22m/s～25m/s的传送速度。这示例性地示出了输入侧速度与传送速度之间的比率。
优选地，挡板元件3的第一正弯曲部3a沿其最大圆周的一部分与狭缝14的内壁14a的至少一部分一起形成边缘。以这种方式确保撞击第一正弯曲部3a的目标液体平滑地朝狭缝14转向，而在该区域不会产生过度的湍流，过度的湍流是不期望的，因为它减慢了目标液体在输入侧的平均流速。特别优选的是，狭缝14的整个内壁14a由第一正弯曲部3a的最大圆周形成。在实施方式中，第一正弯曲部3a相对于纵轴z旋转对称。此外优选的是，由内壁14a与第一正弯曲部3a一起形成的边缘被倒圆。这进一步增强了目标液体在边缘周围的平滑流动和层流。在这种情况下，应注意的是与流动液体接触的所有边缘优选被倒圆。
除了第一正弯曲部3a之外，挡板元件3具有平坦环形部分3b，该环形部分3b将第一弯曲部3a连接到段壳体8并且限定狭缝的两个末端14c。平坦环形部分3b优选垂直于纵轴z。然而，平坦环形部分3b也可以具有其他的方位和/或包括一个或多个弯曲部。例如，部分3b可能相对于输入侧具有负曲率或者可以是倾斜的。
在实施方式中，挡板元件1包括至少一个相对于输出侧为正的第二弯曲部3c，该第二弯曲部3c形成挡板元件1的面向输出侧的整个表面的至少一部分。有利的是，这种措施进一步改善了通过在输出侧从狭缝排出的目标液体将材料吸入输出侧的抽吸效应。可以理解的是，挡板元件1的面向输出侧的所述表面也可以具有多个弯曲部或者完全平坦，这取决于期望的效果。例如具有波纹表面以便在其附近实现更多的湍流可能是有利的。
图2示出了注射器装置7的一个实施方式的侧面剖视图，并且图3示出了图2的注射器装置的实施方式的透视图。
可以被称为溶解装置的注射器装置7包括：用于输送由目标液体和溶解在其中的材料组成的混合物的第一管段11、连接到第一管段11的用于将目标液体供给到第一管段11中的第二管段12、和连接到第一管段11的用于将材料供给到第一管段11中的第三管段13。在第一管段11和第二管段12之间设置挡板管段1。从图3的透视图中可以看出，挡板管段与管11、12的管壁对齐。优选地，其与管11、12无缝焊接。在其它实施方式中，挡板管段1可以例如插入第二管12中并且例如通过压配合附接在其中，如已经提到的那样。
挡板管段1沿着纵轴z这样布置，使得第二管段12在其输入侧连接，并且第三管段13在其输出侧连接。挡板管段1具有围绕纵轴z的使得挡板管段1的狭缝14与第三管段13的出口之间的距离最大的旋转位置。术语“距离”被理解为：狭缝14的外壁14b的顶点和第三管段13的壳体的最靠近挡板管段1的在狭缝14通往输出侧的出口的位置处的横截面的点之间的距离。这将在下面进行描述。
优选地，狭缝14的至少三分之二布置在第一管段11的下半部分中。换句话说，狭缝14布置在段壳体8的底部，这是距第三管段13的输出端最远的可能位置。因此，狭缝优选位于第三管段13的出口的相对侧，如在截面区域所见。
在实施方式中，进入第一管段11的第三管段13的出口布置在第一管段11的顶部上。优选地，第一管段11水平布置，并且第三管段13至少竖直布置在第三管段13连接到第一管段11的连接部分中，如图2或3所示。
管段11、12的选择的相对位置和方向以及第三管段13的输出端与狭缝14之间的选择的距离是优选的，因为在流体动力学模拟和原型测试中已经发现以这种方式来自第三管段13的材料的抽吸过程非常有效。然而，也可以使用这两个设计方面的其他配置。例如，第三管段13和第一管段11可以以不同于90°的另一角度布置。
在下文中，将通过流体动力考虑来更详细地描述抽吸过程。特别地，两个参数对于挡板管段1和注射器装置7的设计是决定性的：目标液体的速度以及沿目标液体和液体混合物通过注射器装置7的行进路径的压强。期望目标液体在输入侧具有尽可能层流的流动。一般来说，湍流导致速度降低。因此，层流导致输入侧的目标液体的整体速度更可预测。因此，面向输入侧的挡板元件3的表面的形状起到影响目标液体的流动模式的作用。正弯曲部使目标液体对挡板元件3的冲击平和，将流体引向狭缝14。采用上述示例，输入侧上的目标液体的平均速度可以具有4m/s的值。因为挡板元件3作为目标流体的障碍物，所以在这个区域中的压强相对较高，对于上述例子，压强约为3.4巴。当通过狭缝14时，由于狭缝14的横截面比第二管12的横截面小得多，因此目标液体显著地增速。在狭缝14中，速度增加到23m/s左右。结果，在这种情况下，狭缝14内的压强下降到约1.3巴。在输出侧离开之后，目标液体再次减速，因为第一管段11的横截面远大于狭缝14的横截面。在所述示例中，速度沿着液体的主要路径在纵向方向上逐渐减小，直到沿整个横截面的平均速度降低到与输入侧相同的水平，即4米/秒。在狭缝14的出口处发生陡峭的速度梯度，在流中间的目标液体的速度是最高的，并且朝向外部流部分迅速减小。然而，在位于狭缝上方的输出侧的区域中，在狭缝和第三管段13的进入第一管段11的输出端之间，由于目标液体的部分转移到该区域而出现湍流。这里液体速度非常低，因为在纵向方向z上没有顺流(directflow)。输出侧上的压强模式在第一管段11的横截面上基本均匀并且沿着纵轴z逐渐增加。由于在上述区域中的压强是均匀的，所以在约1.2巴的所述示例中，该区域中的液体可以被刚刚离开狭缝14的目标液体的主流“拖拉”。这导致位于挡板元件3后面的区域中的液体在大致径向方向上的抽吸效果。进而，该抽吸效应使来自所述第三管段的材料颗粒被吸入到目标液体的流中并将在其中溶解。所述区域中的液体速度非常低对溶解过程是有利的，因为这允许更多时间进行溶解。
在这方面，应提到的是，第二正弯曲部增强了在溶解过程中混入材料颗粒的目标液体沿离开狭缝14的主要目标液体流的方向的“径向”流动。
如开头所述，在注射器装置7的一个实施方式中，挡板管段1在目标液体的路径中附接在第一管11内部。在该实施方式中，优选地，段壳体8的面向第二管段12的一端在朝向第二管段12的输入侧上形成斜坡2a，使得在第一管道11的壳体和段壳体8之间不存在台阶。这有利地避免了在靠近狭缝14的输入侧区域中产生湍流。这是不期望的，因为这样的湍流会减慢流入狭缝14的目标液体并且因此使狭缝14的输出侧的抽吸效应恶化。此外，在该实施方式中，挡板管段1优选地通过焊接或压配合附接在第一管段11内部。
优选地，挡板管段1与第三管段13的出口之间的距离d1基本上等于目标液体通过狭缝14的通道距离d2。距离d1是从第三管段13的壳体的最靠近挡板管段1的在狭缝14通往输出侧的出口的位置处的横截面的点测量的。已经发现该比例对于在输出侧产生有效的材料抽吸而言是最佳的。距离d1越长，抽吸过程越不突出(accentuated)。
在实施方式中，第一管段11包括在第三管段13的出口下游的至少一个收缩部4。在该实施方式的变型中，第一管段11包括沿着其在第三管段13的出口下游的延伸部在预定距离处的多个收缩部4。这样的收缩部进一步增强了溶解过程，因为与第一管段11的“正常”直径段相比，流过收缩部的混合液体的压强增加。
优选地，注射器装置的第一管段11、第二管段12和第三管段13在其自由端各自包括连接元件，特别是法兰，用于连接到使用注射器装置7的溶解装置的元件。以这种方式，注射器装置可以在准备好直接连接到所述元件的状态下被输送。
图4示出了溶解装置50的示意图。注意，图4仅示出了溶解装置50的主要元件。应当理解，溶解装置50可以包括各种其他元件，例如阀、流量计等。
溶解装置50包括：注射器装置7；用于提供目标液体的第一供应容器123，其经由中间管连接到第二管段12；第一泵122，特别是可变流量泵，其用于将目标液体从第一供应容器123通过第二管段12朝向第一管段11输送；和至少一个材料剂量单元131，其用于调节每单位时间供应到第一管段11中的材料的量。此外，溶解装置50包括连接到第三管段13的至少一个可选的第二供应容器132，所述第二供应容器132用于提供待溶解到目标液体中的材料。此外，提供了出口管112，其用于将液体混合物引导到另外的处理站，例如，填充站。
流动方向由相应的箭头表示。据此，用箭头“f”表示主流动方向，用箭头“b”表示通过由下面限定的反馈管15的流动，并且由箭头“m”表示要溶解在目标液体中的材料的输送方向。
溶解装置50优选地包括用于将液体混合物从第一管段11的出口再循环回到注射器装置7的输入侧的反馈管15以及用于将液体混合物输送通过反馈管15的至少第二泵151。应该理解的是，合适的阀分别连接在反馈管15与第一管段11和第二管段12之间的接头处。反馈管15导致了材料在目标液体中的溶解度相当差的情况。因此可能需要使用多个再循环步骤来彻底溶解。在另一种情况下，可能需要以连续的方式将多种材料溶解在目标液体中。因此，在第一步骤中，将第一材料溶解，然后使液体混合物再循环，并将第二材料添加到液体混合物中。虽然对于这种情况，可能期望使用一系列的注射器装置7，但是如果随后插入另外的注射器装置证明过于复杂或昂贵，则仅具有一个注射器装置的溶解装置可能更愿意使用再循环替代方案。
如上所述，溶解装置50包括第二供应容器132。在溶解装置50的该示例性实施方式中，第二供应容器132是固定的。在其他实施方式中，第二供应容器132可通过车辆运输或者是车辆的一部分、或者是人体可携带的包。然而，应注意的是，如果使用用于提供材料的其他装置(例如具有可运输的第二供应容器132的卡车)，则第二供应容器132与第三管段13的连接优选适于与第二供应容器132分离。
优选地，溶解装置50还包括用于测量液体混合物的密度或粘度的折射计(未示出)。以这种方式可以执行液体混合物的质量监测。特别是在使用反馈管15的情况下，在折射计检查失败的情况下，液体混合物可以被再循环。为此，阀(未示出)将液体混合物流从朝向溶解装置50的输出的方向切换到反馈管15中。
材料剂量单元131调节供给到第一管段11中的材料的量。注意，材料剂量单元可以用于仅限制所供应的材料的量并且不具有用于材料输送的致动装置。这是由于在大多数情况下第三管段13竖直布置的缘故。因此，在这些情况下，不需要将材料输送到第三管元件13，但是材料由于重力而自由落入其中。因此，优选的是，第二供应容器132被布置在第三管段13的通向第一管段11的输出端的上方，以避免必须使用用于材料的额外的输送装置。
目标液体流动、液体混合物流动和材料供应量由控制器(未示出)经由相应的泵122、151或材料剂量单元131调节，考虑到各种参数，例如目标液体中的材料的溶解度、期望的吞吐量、溶解的程度等。此外，流动路径也由控制器控制，该控制器根据期望的流动路径致动对应的阀。
进一步提供用户界面用于输入所述参数、读出由设置在溶解装置中的各种传感器测量的值以及用于监测液体混合物的输出质量。
尽管显示和描述了本发明的当前优选实施方式，但是应该清楚地理解的是，本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以不同方式体现和实施。因此，诸如“优选”或“尤其”或“特别”或“有利地”等术语仅表示可选和示例性实施方式。