Der Turbulenz-Gasmischer mit Gegenströmung
Nikola Tesla hat sich 1916 ein Strömungsventil in Form einer Durchflussstrecke patentieren lassen, die eine Flüssigkeit oder ein Gas in der einen Richtung fast ungebremst durchströmen lässt, die aber den Durchfluss in der Gegenrichtung extrem stark abbremst. Das geschieht, indem ein Teil der Strömung abgeleitet und um 180° gedreht in Gegenrichtung auf den anderen Teil der Strömung gerichtet wird, was dadurch heftigste Turbulenzen erzeugt, die wie eine mechanische Fließblockade wirken. Hier seine:
Bilder 1: Zeichnung aus der Patentschrift von Tesla und Fließrichtungen (aus Wikipedia)
(Das Prinzip der Gegenströmung im Tesla-Ventil wird in diesem 
englischen Video auf YouTube verständlich erklärt.)
Rotiert man diese Zeichnung um die Mittelachse in Fließrichtung, so erhält man quasi ein dreidimensionales Tesla-Ventil, bestehend aus trichterförmigen Erweiterungen des Fließquerschnitts (grün) mit einem Halbtorus am Ende (blau), der die Strömung an den Trichterrändern umkehrt, wie in dieser Querschnittsskizze: 
Die trichterförmige Erweiterung (grüner Bereich oben) reduziert die Fließgeschwindigkeit und den Druck der fließenden Flüssigkeit. Ist die Aufweitung des Trichters groß und die Fließgeschwindigkeit hoch, so kann sich die Strömung nicht nur abbremsen, sondern sogar umkehren. Der hohe Druck am Eintritt in die trichterförmige Aufweitung kann so stark abfallen, dass im Zentrum des Fließquerschnitts ein Unterdruck entsteht, der die Strömungsrichtung dort umkehrt und zu einer intensiven, turbulenten Verwirbelung führt.
(siehe hier: https://www.lehrerfreund.de/technik/1s/versuch-5-eine-kerze-ausblasen/3740)
Das war die Idee für einen Turbulenz-Gasmischer mit Gegenströmung. Den habe ich mir dann auch nach diesen Skizzen bauen lassen:
Bilder 2: Bemaßte Skizzen zur Fertigung eines Tesla-Turbulenz-Gasmischers
Bilder 3: Fertige Bauteile des Tesla-Turbulenz-Gasmischers
Bild 4: Fertiger Tesla-Turbulenz-Gasmischer, 5 × 8 mm ∅, oben mit Mikroblasen-Abscheider und einem Manometer zu Testzwecken
Bild 5: Fertiger Gasmischer, angeschlossen an einen linearen Dekompressionsspeicher, 30 m ∅ 10‑mm-Spiralschlauch, isoliert gegen Wärmeverlust
Der Turbulenz-Gasmischer mit Lochdüsen
Die zuerst verwendeten Wirbeldüsen, die ich aus defekten Magic7‑Duschköpfen ausgebaut habe, sind schwer erhältlich und kostspielig, wenn sie aus intakten Duschköpfen ausgebaut werden müssen. Weiterhin ist es nicht so einfach und sperrig, diese Wirbel-Düsen mit Heimwerkermitteln in eine Druckkammer einzubauen. Daher habe ich mir noch eine andere Bauform mit simplen Bohrungen als Düsen ausgedacht, die sich wesentlich einfacher und kompakter nachbauen lässt.
Der Rasensprenger als Ausströmer in der Badewanne hatte sich ja auch schon als effektiv für das Einmixen von H₂‑Gas ins Badewasser erwiesen.
Als Ausströmer in der Rohr-Druckkammer verwende ich ein 1/2-Zoll-Messingrohr mit großer Wandstärke (eine sogenannte Hahnverlängerung), weil sich Messing leicht mit dünnen Bohrungen von 1,0–1,5 mm versehen lässt, ohne dass ständig der Bohrer abbricht. Die Druckkammer besteht aus einem 2‑Zoll-Messing- oder Edelstahlrohr mit jeweils einer Messing-Endkappe auf beiden Seiten. Die Endkappen sind auch wieder aus Messing, weil sich da auch einfach ein großes zentrisches Loch für den Zulauf und den Ablauf bohren lässt. Diese Löcher werden dann mit Fass-Auslass-Klemmverschraubungen versehen, die jeweils ein ½‑Zoll-Innengewinde und ein ¾‑Zoll-Außengewinde haben. In eines der Innengewinde lässt sich dann das Messingrohr mit den Düsenbohrungen und einer Endkappe einschrauben und auf die beiden Außengewinde z. B. eine Gardena-Kupplung für den Schlauchanschluss … Fertig!
Bild 1: Messing-Hahnverlängerung mit 60 × 1‑mm-Bohrungen und 4 × 1,5‑mm-Bohrungen direkt über dem Gewinde, damit das Wasser aus dem Turbulenz-Gasmischer nach unten abfließen kann, oben mit einer Endkappe verschlossen. (Vor dem Bohren habe ich mit einer Eisensäge 6 Nuten in das Rohr gesägt, damit mir der 1-mm-Bohrer nicht anrutscht und bricht.)
Bild 2: Zwei-Zoll-Messingrohr mit Endkappen (eine mit eingelegter Dichtung) und der Messing-Fass-Durchführung. Mit dem kegelförmigen Stufenbohrer v lässt sich das große Loch für die Fassdurchführung unkompliziert in die Endkappen bohren.
Bild 3: Fertiger Turbulenz-Gasmischer, oben mit 1‑Zoll-Mikroblasen-Abscheider, an den gleich eine Nasenbrille angeschlossen werden kann, um das beim Umpumpen und H₂-Anreichern während des Badens dort austretende H₂-Gas auch noch beim Baden zu inhalieren. (Der Absperrhahn und das Druckmanometer sind optional.)
Bild 4: Fertiger Turbulenz-Gasmischer angeschlossen auf dem so hochtrabend bezeichneten "linearen Dekompressionsspeicher" (das heißt: In dem silbernen Rohr befindet sich wärmeisoliert ein 20‑m-Pressluft-Spiralschlauch mit 10‑mm-Durchmesser).
Wichtig: Der Mikroblasenabscheider oben am Gasmischer trägt ganz entscheidend zur Effektivität der H₂‑Anreicherung bei! Er leitet alle noch im Wasser treibenden Gasbläschen aus dem abfließenden Wasser ab, die andernfalls auf dem weiteren Fließweg bereits gelöstes H₂‑Gas wieder aus dem Wasser reißen würden. Damit das auch bei der hohen Fließgeschwindigkeit funktioniert, muss er unbedingt mit sogenannten "Prallkörpern" gefüllt sein.
Bild 5: Kleinere Alternative mit 30 Bohrungen Ø 1 mm und 3 Bohrungen Ø 1,5 mm am Gewinde sowie einer Wirbeldüse in der Endkappe. Dieses kurze Rohrstück kann auch zwischen Endkappe und längerem Rohr gemäß Bild 1 geschraubt werden, sodass sich ein Ausströmer mit 90 Bohrungen Ø 1 mm und 7 Bohrungen Ø 1,5 mm ergibt.
Der Turbulenz-Gasmischer mit Wirbeldüsen
Mit dieser zusätzlichen Misch-Stufe direkt nach der Druck-Mix-Pumpe ist mir ein großer Schritt zu einer höheren Effektivität der H₂‑Anreicherung von Badewasser gelungen. Später habe ich dann auch noch Gasmischer mit simplen Lochdüsen und Turbulenz-Gasmischer mit Gegenströmung verwendet und hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile untersucht.
Vorausgegangen ist der Idee eines solchen Gasmischers die Beobachtung, dass die kleinen Wirbeldüsen in dem zunächst verwendeten Duschkopf "Magic7" im Zufluss mit fließenden kleinen H₂‑Gasbläschen unter Wasser wunderbar fein zerstäuben, bis dahin, dass das austretende Wasser komplett milchig wird. Das kann alleine durch das Einmixen von H₂‑Gas in der starken Impeller-Pumpe nicht erreicht werden.
Für sich genommen ist dieses milchige Wasser ja kein gutes Zeichen, weil dieser oft fälschlich als "Nanobläschen" bezeichnete Nebel bedeutet, dass gerade bereits gelöstes H₂‑Gas gerade wieder aus dem Wasser ausgetrieben wird! Durch Zufall stellte ich jedoch fest, dass der H2-Gehalt im Wasser geradezu sprunghaft steigt, wenn dieses milchige Wasser erneut in der Druck-Mix-Pumpe komprimiert und dieses Mal nicht mehr unter Wasser zerstäubt wird. So habe ich mir zunächst eine Remix-Ansaugung einfallen lassen:
Die Idee der Remix-Ansaugung
Hierzu habe ich direkt an der Ansaugstelle mit einer Magic7-Wirbeldusche unter Wasser milchiges Wasser erzeugt, welches dann gemischt mit klarem Wasser von der Pumpe angesaugt wurde. Ein Teil des von der Druck-Mix-Pumpe erzeugten Druckwassers wird also vor die Ansaugung der Pumpe gespritzt und fließt so ein zweites Mal durch die Pumpe. Damit auch wirklich alles Nebel-Wasser aus dem Duschkopf wieder angesaugt wird.
Bilder 1 bis 3: An einer Magic7-Dusche den Handgriff durch einen Schlauchanschluss ersetzt (Schlauchtülle mit 2K-Klebstoff vergossen)
Bilder 4 und 5: Modifizierter Duschkopf um den Ansaugfilter montiert, der die Sprührichtung zum Ansaugkorb zeigt (fertige Remix-Ansaugung)
Diese Art der Ansaugung bewirkte schon eine merkliche Steigerung des H₂‑Gehalts im Wasser, besonders nachdem ich sie unter Wasser in einen Blumenübertopf platziert hatte (mit dem Saugkorb voraus, nach unten zeigend), denn so wurde auch wirklich alles "Nebel-Wasser" wieder angesaugt. (Hier ist ein Video davon, wie das dann im Betrieb aussieht)
Der Turbulenz-Gasmischer
Der folgerichtig nächste Entwicklungsschritt war dann natürlich, diesen positiven Effekt des Zerstäubens größerer Bläschen nicht nur teilweise auf der Saugseite zu nutzen, sondern vollständig auf der Druckseite der Druck-Mix-Pumpe, also mit dem gesamten H₂‑Gas und noch dazu unter dem maximalen Wasserdruck, direkt nach der Pumpe. Weil der Duschkopf aber nicht in den bereits vorhandenen Druckbehälter passte, habe ich die kleinen Wirbeldüsen aus zwei Magic7‑Duschen ausgebaut und in PVC-Rohr-Endkappen eingebaut. Ein Stab aus 6 PVC‑Kreuz-Fittings passt gerade in den verwendeten Druckbehälter und mit den modifizierten Endkappen wird das Gebilde zu einem stabförmigen "Duschkopf" mit bis zu 15 Wirbeldüsen, durch die dann das Druckwasser mit den H2-Bläschen aus der Druckpumpe in das Druckwasser im Turbulenz-Gasmischer eingespritzt werden kann.
Wie sich in Versuchen herausstellte, sind 11 Wirbeldüsen die ideale Anzahl für die Pumpe PKm70 und 7 Wirbeldüsen für die Pumpe PKm65, um den Druck in der Pumpe (dem Mixer) möglichst hoch zu treiben. Je höher dieser Druck, umso höher ist der erreichbare H₂‑Gehalt im Wasser. Ist dieser Druck aber zu hoch, fördert die Pumpe zu wenig oder kein Wasser mehr. Gleiches gilt, wenn zu viel H₂‑Gas in die Pumpe eingeleitet wird.
Wird Wasser angesaugt, das noch kein H₂‑Gas enthält, dann sind 600 ml/min ideal für die Pumpe PKm 70 und 11 Düsen im Turbulenz-Gasmischer. An der Druck-Mix-Pumpe liegt dann ein Druck von 5,6 bar an (bzw. 6,0 bar ohne H2-Gas im Wasser), wenn als Ausströmer ein 20 m langer Schlauch mit Durchmesser 10 mm gewählt wird. Am Anfang des Schlauchs liegen dann noch 4,2 bar an und kaltes Wasser wird so bei einem Durchfluss von 14,3 Litern je Minute mit 2,4 ppm aufgeladen!
Nach einer Weile wird jedoch Wasser angesaugt, das bereits H₂‑Gas enthält, und es sammelt sich daher der Überschuss an H₂‑Gas oben im Reaktor an, der von dem Automatik-Entlüfter abgeblasen wird, und es kann die Zuführung von H₂‑Gas von 600 ml/min auf 300 ml/min ohne nachteilige Wirkung reduziert werden.
Als Maximalwert wird in kaltem Wasser in der Badewanne 3,1 ppm erreicht, egal ob 600 ml/min oder 300 ml/min H₂‑Gas eingespeist werden. Mit den 600 ml/min zu Beginn oder dauerhaft wird der Maximalwert dann nur schneller erreicht.
Wichtig dabei ist, dass die Gase, die sich dann oben in dem Turbulenz-Gasmischer ansammeln, durch einen selbstständigen Entlüfter, wie er etwa im Heizungsbau Verwendung findet, kontinuierlich entfernt werden und nicht in den anschließenden Schlauch oder Ausströmer gelangen.
Bauweise
Die Anzahl der verbauten Wirbeldüsen bestimmt im Wesentlichen den Druck beim Einmixen von H₂‑Gas in der Druck-Mix-Pumpe. Der Automatik-Entlüfter sorgt dafür, dass möglichst wenig verbliebene H₂‑Bläschen sich zu großen Blasen ansammeln können. Enthält das angesaugte Wasser bereits H2-Gas, so steigt entsprechend der Überschuss, der sich nicht mehr löst und über den Automatik-Entlüfter abgeblasen wird. (Nicht jeder Entlüfter für Heizungswasser ist auch für den höheren Druck im Turbulenz-Gasmischer von 4 bis 6 bar geeignet.)
Der erste Versuch mit der stärkeren Pumpe PKm70, einem 13-Düsen-Turbulenz-Gasmischer und einem 50 m langen Schlauch mit ∅ 10 mm war bereits sehr erfolgreich!
Bild 6: Vorversuche mit einem 13-Düsen-Turbulenz-Gasmischer und 50 m Schlauch
Ergebnis der Vorversuche:
Der Druck im Turbulenz-Gasmischer sollte ca. 1,5 bar niedriger sein als der Pumpendruck, damit eine feine Zerstäubung des H₂‑Gases im Turbulenz-Gasmischer erfolgt. Dieser gegenüber der Druck-Mix-Pumpe niedrigere Druck bestimmt dann, wie viel H₂‑Gas sich maximal im Wasser lösen kann.
Um das Verfahren mit dem Wirbeldüsen-Turbulenz-Gasmischer noch zu optimieren, habe ich zunächst ermittelt, welchen Druckwiderstand und Wasserdurchlass eine einzelne Wirbeldüse bei unterschiedlichen Drücken hat.
Bilder 7 und 8: Eine Wirbeldüse aus Titan in einer 1/2"-PVC-Einschraubkappe montiert und über 2 Adapter mit einem "Gardena"-Anschluss versehen als Ausstömer
Bild 9: Eine einzelne ausgebaute Wirbeldüse aus Keramik (links) und das gemessene Druck-Durchfluss-Diagramm (rechts)
Dann habe ich in weiteren Diagrammen die aus Einzeldüsen addierte Kurve für mehrere Wirbeldüsen jeweils der Pumpenkennlinie gegenübergestellt und für 11 Düsen ergab sich die wirkungsvollste Kombination für den avisierten Durchfluss von ca. 15 l/min.
Bild 10: Durchfluss-Diagramm für 11 Wirbeldüsen mit der Kennlinie der verwendeten Umwälzpumpe PKm 70
Zur Vervollständigung des Systems wird also jetzt noch ein Ausströmer gesucht, durch den bei 4 bar Druck ca. 15 l/min an Wasser fließen, ohne dass H₂‑Gas wieder als milchige Bläschen im Badewasser ausfällt (dazu habe ich z.B. einen simplen Schlauch als passenden Ausströmer dimensioniert).
Bilder 11 und 12: Einleitung in den Druckbehälter mit 11 installierten Wirbeldüsen aus 1/2" eingekürzten Kunststoff-Fittings zusammengeschraubt
Bilder 13 und 14: Geschlossener Turbulenz-Gasmischer, mit einem Automatik-Entlüfter zur Ableitung von überschüssigem H₂‑Gas oben, und einem Manometer unten
Bild 15: Fertiger Turbulenz-Gasmischer, eingebaut in die große Bademaschine mit der Pumpe PKm70
Der fertige Turbulenz-Gasmischer wird dann direkt nach der Pumpe und vor dem Ausströmer (dem Schlauch oder dem Zapfhahn) in die Druckleitung eingebaut und von unten nach oben durchströmt.
In dieser Kombination mit der Pumpe PKm70, dem 11-Wirbeldüsen-Reaktor und einem 20 m langen Schlauch (∅ 10 mm) als Ausströmer wird das Badewasser mit einem Wasserstoffgehalt von bis zu 3,1 ppm aufgeladen!
Alternative für die kleinere Pumpe PKSm65
Diese Bauweise lässt sich mit einer kleineren Druck-Mix-Pumpe auch herunterskalieren. Bei gleichem erreichbarem H₂‑Gehalt im Wasser, dauert dann die Anreicherung nur etwas länger. Bei geringerem Durchfluss reichen auch weniger Wirbeldüsen im Turbulenz-Gasmischer aus und der Bau kann einfacher mit unveränderten 1/2"-Fittings aus Edelstahl erfolgen.
Bild 16: Als Beispiel für eine alternative Bauform hier die Bauteile für einen 6-Düsen-Turbulenz-Gasmischer aus Edelstahl, lose zusammengeschraubt vor dem Einbau.
