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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen und Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften und Umwälzen von Fermentationssubstraten, wobei Flüssigkeit von einer Zentrifugalpumpe angesaugt und gefördert wird. Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art wird das Gas durch die Injektorwirkung der aus der Pumpe austretenden Flüssigkeit angesaugt. Um diese Ansaugung zu ermöglichen, muss der Druck an der Austrittsseite der Pumpe niedriger liegen als der Druck, unter welchem das Gas zugeführt wird.
Durch diese Forderung werden die Konstruktionsbedingungen der Pumpe eingeengt.
Wenn beispielsweise unter Atmosphärendruck stehende Luft angesaugt werden soll, muss der Druck an der Austrittsseite der Pumpe unterhalb des Atmosphärendruckes liegen. Anderseits aber muss eine gewisse Druckhöhe vorhanden sein, um die Förderung der Pumpe aufrecht zu erhalten, und es muss daher ein Leitapparat vorgesehen sein, in welchem der Druck der aus der Pumpe austretenden Flüssigkeit wieder erhöht wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn, worauf sich die Erfindung im besonderen bezieht die Förder- und Belüftungsvorrichtung in einem Behälter, z.
B. einem Fermenter, so angeordnet ist, dass die zu begasende Flüssigkeit aus dem Behälter angesaugt und unterhalb des Flüssigkeitsniveaus imBehälter wieder in den Behälter zurückgeführt wird, dass dann der Gegendruck im Behälter zu überwinden ist, welcher verhältnismässig hoch sein kann, wenn es sich um hohe Behälter handelt und die Belüftungs-und Fördervorrichtung am Grunde des Behälters angeordnet ist. Bei den bekannten Vorrichtungen muss daher zuerst der Druck der Flüssigkeit in Geschwindigkeit umgesetzt werden, um den Druck an der Austrittsstelle der Pumpe niedrig zu halten, und es muss dann im Leitapparat wieder Geschwindigkeit in Druck umgewandelt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung beeinträchtigt wird.
Des weiteren steht, wenn das Gas an der Austrittsseite der Pumpe zugeführt wird, für die Verbesserung der Vermischung der Flüssigkeit mit dem Gas nur der Weg der Flüssigkeit durch den Leitapparat zur Verfügung. Für einen hohen Gasgehalt der Flüssigkeit ist es aber Voraussetzung, dass das Gas in der Flüssigkeit fein verteilt ist, und dem sind bei den bekannten Vorrichtungen Grenzen gesetzt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, diese Nachteile zu beseitigen, und die erfindungsgemässe Vorrichtung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugraum der Pumpe als ringförmige, unbeschaufelte Mischkammer ausgebildet ist, welche sich von den achsnahen Eintrittsöffnungen für Flüssigkeit und Gas radial nach aussen zum Pumpenlaufschaufelkranz erstreckt, wobei die radiale Abmessung der Mischkammer, von den Eintrittsöffnungen bis zur inneren Begrenzung des Pumpenlaufschaufelkranzes gemessen, wenigstens gleich gross wie die radiale Abmessung des Pumpenlaufschaufelkranzes, gemessen von der inneren Begrenzung bis zur äusseren Begrenzung desselben, ist. Es wird somit der Ansaugdruck der Pumpe zum Ansaugen des Gases ausgenützt.
Da die Zuführung der Flüssigkeit und des Gases im achsnahen Bereich der Mischkammer erfolgt, steht für die Intensivierung der Vermischung der Weg durch die Mischkammer bis zum Eintritt in die Kanäle des Pumpenlaufschaufelkranzes und der Weg durch die Kanäle des Pumpenlaufschaufelkranzes zur Verfügung, während bei den bekannten Anordnungen die Beimischung der Luft erst an der Austrittsstelle aus den Kanälen des Pumpenlaufschaufelkranzes erfolgte.
Gemäss der Erfindung sind zweckmässig die Eintrittsöffnungen für Flüssigkeit und Gas in axial aneinandergereihten Ringzonen angeordnet, welche die ringförmige Mischkammer innen begrenzen. Die radiale Abmessung der ringförmigen Mischkammer kann gemäss der Erfindung vorzugsweise etwa doppelt so gross als die radiale Abmessung des Pumpenlaufschaufelkranzes sein, so dass ein verhältnismässig langer Weg zur Verfügung steht, auf welchem eine Intensivierung der Vermischung schon vor dem Eintritt in den Pumpenlaufschaufelkranz erfolgt. Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist diese ringförmige Mischkammer inAchsrichtung durch kegelstumpfmantelförmige Wände begrenzt, deren Abstand voneinander sich mit zunehmendem Achsabstand verringert. Auf diese Weise kann z.
B. der Durchströmquerschnitt durch die Mischkammer und damit die Strömungsgeschwindigkeit den Erfordernissen entsprechend gewählt werden.
Es kann beispielsweise der sich nach aussen zu vergrössernde Durchmesser der Mischkammer durch die Verringerung der Höhe derselben so ausgeglichen werden, dass in allen Ringzonen der Durchströmquerschnitt ungefähr gleich gehalten wird, so dass eine ungefähr gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit in zentrifugaler Richtung erreicht wird. Hiefür ergibt die kegelstumpfförmige Ausbildung der Wände eine gute Annäherung bei einfacher Konstruktion, da ja die Mischkammer meist eine geschweisste Blechkonstruktion darstellt. Das in den rotierenden Laufschaufelkranz eintretende Flüssigkeitsgasgemisch ist somit bereits innig vermischt, und diese Mischung wird auf dem Weg durch den Pumpenlaufschaufelkranz und den gegebenenfalls vorgesehenen Pumpenleitschaufelkranz noch weiter verbessert.
Infolge der guten Vermischung kann die Flüssigkeit eine verhältnismässig grosse Gasmenge aufnehmen, und es kann daher gemäss der Erfindung der Gesamtquerschnitt der Eintrittsöffnungen für das Gas in die Mischkammer ungefähr gleich dem Gesamtquerschnitt der Eintrittsöffnungen für die Flüssigkeit in die Mischkammer sein.
Gemäss der Erfindung kann die Anordnung so getroffen sein, dass die ringförmige Mischkammer mit den Eintrittsöffnungen für Flüssigkeit und Gas im wesentlichen symmetrisch zu einer achsnormalen Ebene ausgebildet ist, dass die Gaseintrittsöffnungen auf einem Zylindermantel liegen und dessen Fläche ganz oder zum Grossteil einnehmen, welcher Zylindermantel von der achsnormalen Symmetrieebene geschnitten wird, und
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-öffnungen fürgem Masse auf, so dass die Gasblasen zusammen mit der Flüssigkeit in den Pumpenlaufschaufelkranz gelangen und darin mit zunehmender Steilheit des Druckgefälles immer mehr gegenüber der Flüssigkeit zurückbleiben.
Sie sammeln sich an der Stelle, an der die auf den Pumpenlaufschaufelkranz bezogene Relativeschwindigkeit der Förderflüssigkeit und die dieser entgegengerichtete Komponente der auf die Flüssigkeit bezogenen Steiggeschwindigkeit der Blasen gleich gross sind, und bilden im weiteren Verlauf einen Gaspolster, welcher nicht weitergefördert werden kann und zum bekannten Abreissen (Unterbrechen) der Förderung führt, Dadurch, dass durch die erfindungsgemässe Vorrichtung das Gas inniger mit der Flüssigkeit vermischt wird und in feinster Verteilung vorliegt, wird bereits dieser Tendenz entgegengewirkt, da das Gas in feinster Verteilung durch den Flüssigkeitsstrom mitgerissen wird, während sich die Wanderungstendenz relativ zum Flüssigkeitsstrom entgegen denselben auf grossblasige Gaseinschlüsse in wesentlich grösserem Masse auswirkt.
Diese Wanderungstendenz ist somit durch die erfindungsgemässe Vorrichtung an sich verringert. Es kann im Pumpenlaufschaufelkranz sowie in dem gegebenenfalls vorgesehenen Pumpenleitschaufelkranz die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsgasgemisches relativ zum Laufrad- bzw. Leitschaufelkranz grösser gehalten werden als die Geschwindigkeit, mit der sich zufolge der Druckerhöhung die Gasblasen in der Flüssigkeit relativ zu dieser gegen die Strömungsrichtung bewegen. Damit wird erreicht, dass die Gasblasen in Richtung des Förderstromes weggefördert werden und die Bildung eines Luftpolsters vermieden wird. Die Erfüllung dieser Bedingung ist infolge der durch das erfindungsgemässe Verfahren erreichten feinsten Vermischung des Gases in der Flüssigkeit erleichtert.
Die Gasblasen steigen relativ zur Flüssigkeit entlang des Weges --d--, welcher die Richtung des stärksten Druckgefälles hat. Die Kraft-A-, die das Steigen der Blasen bewirkt (Auftriebskraft), ist
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tung des stärksten Druckanstieges hat. Das Minuszeichen drückt aus, dass die Kraft zum Ort des niedrigeren Druckes gerichtet ist. Wenn die Blasen Kugelform haben, ergibt sich
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wobei r den Radius der am schnellsten steigenden Gasblase bedeutet. Da die grösste Steiggeschwindigkeit dann erreicht ist, wenn die Auftriebskraft und der Widerstand in der Flüssigkeit im Gleichgewicht stehen, errechnet sich die Steiggeschwindigkeit
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Hiebei bedeutet c dieWiderstandszahl bezogen auf den grössten Querschnitt der Blase, und p die spezifische Masse der Flüssigkeit im Pumpenlaufschaufelkranz.
Die inRichtung des Förderstromes fallende Komponente vs der Steiggeschwindigkeit errechnet sich
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wobei 1 der Winkel ist, den die Auftriebskraft mit der Strömungsrichtung einschliesst.
Das Druckgefälle ist nach Grösse und Richtung abhängig von der Ausbildung und den Betriebsbedingungen des Pumpenlaufschaufelkranzes und nur im jeweiligen Fall gesondert bestimmbar. Es kann theoretisch unter Zuhilfenahme der Eulerschen Gleichung errechnet oder graphisch bestimmt werden, wenn alle auf die Teilchen des flüssigen Mediums einwirkenden Kräfte und die Beschleunigung, welche die Teilchen erfahren, bekannt sind. Zu den einwirkenden Kräften gehören die Fliehkraft und die Corioliskraft.
Wenn der Druck im Pumpenlaufschaufelkranz in Förderrichtung zunimmt, muss der Absolutwert der Re- lativgeschwindigkeit--w-- der Flüssigkeit bezogen auf den Pumpenlaufschaufelkranz grösser sein als der Absolutwert von vs, was u. a. durch entsprechende Wahl der Kanalquerschnitte, der Schaufelwinkel, sowie der Art des Druckanstieges im Kanal des Pumpenlaufschaufelkranzes bewirkt werden kann. Es wird dadurch erreicht, dass die Gasblasen im Förderstrom nur zurückbleiben, jedoch in Richtung zum Austritt aus dem Pumpenlaufschaufelkranz hin weggefördert werden, so dass die Bildung eines Luftpolsters vermieden wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert.
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Bei dieser Ausführungsform sind zwei ringförmige Eintrittsöffnungen --16 und 17-- für die Flüssigkeit vorgesehen, zu welchen die Flüssigkeit bei --18 und 19-- angesaugt wird. Zwischen diesen beiden ringför-
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welcher die Luft unter Atmosphärendruck über ein Rohr-21-gelangt.
Die obere Wand --13-- und die untere Wand --14-- sind mit dem Laufschaufelkranz-15-- und dem Zuführungsrohr --21-- für die Luft zu einem Rotor vereint, welcher auf der Welle--10--sitzt. Zu diesem Zweck sind die Eintrittsöffnungen --16 und 17-für die Flüssigkeit und die Eintrittsöffnung --20--für das Gas durch Schaufein --2-- überbrückt, weiche die.
Nabe --23-- und das Rohr --21-- mit den Wänden --13 und 14-- der Mischkammer --1-- starr verbindet.
Die Drehrichtung ist durch den Pfeil--24-- angedeutet und die Schaufeln --22--liegen bei der gezeigten Darstellung in der Strömungsrichtung, so dass sie der Strömung keinen Widerstand bieten.
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--1--.Schaufeln --22-- aber mit dem Rotor starr verbunden sind, wird diese Leistung wieder für den Antrieb des Laufschaufelkranzes--15--rückgewonnen.
- sind Bleche, welche ein Rotieren des Inhaltes des Behälters vermeiden, in welchen die Vorrichtung eingesetzt ist, Auch hier enden wieder die Schaufeln des Pumpenleitschaufelkranzes --6-- bei --12-radial, so dass auch dadurch ein Rotieren der Flüssigkeit im Behälter vermieden wird.
Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Vorrichtung nach Fig. 3 und 4 in einem Behälter --26--, welcher beispielsweise ein Fermenter ist. Die Flüssigkeit tritt in der Richtung der Pfeile --27-- in die Mischkammer - l-ein und das Flüssigkeitsgasgemisch tritt radial aus dem Pumpenleitschaufelkranz --6-- aus. Die Pfeile --27-- zeigen an, wie die Flüssigkeit im Kreislauf umgewälzt wird. Der Flüssigkeitsspiegel im Behälter ist mit --28--bezeichnet. Die Vorrichtung ist in der Nähe des Bodens des Behälters angeordnet. Da die Eintrittsöffnungen-18 und 19-- für die Flüssigkeit ungefähr in der gleichen Höhe liegen wie der Pumpenleitschaufelkranz --6--, herrscht am Eintritt und am Austritt ungefähr der gleiche statische Druck.
In das Rohr --21'-- strömt bei --29-- Luft unter Atmosphärendruck ein, --30-- 1st eine Entlüftung- öffnung und --31-- ist ein Rohr, welches bei --32-- im Bereich der Vorrichtung mündet und über welches zu
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begasende Flüssigkeit zugeführt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Begasen und Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften und Umwälzen von Fermentationssubstraten, mit einer die Flüssigkeit und das Gas ansaugenden und fördernden Zentrifugalpumpe, wobei vorzugsweise die Vorrichtung in einem Behälter, beispielsweise in einem Fermenter, so angeordnet ist, dass die Eintrittsöffnungen für die Flüssigkeit und die Austrittsöffnungen für das Flüssigkeitsgas- gemisch unter der für das Flüssigkeitsniveau im Behälter vorgesehenen Höhe liegen, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Ansaugraum der Pumpe als ringförmige, unbeschaufelte Mischkammer (1) ausgebildet ist, welche sich, von den achsnahen Eintrittsöffnungen für Flüssigkeit (3,16, 17) und Gas (4,20) radial nach aussen zum Pumpenlaufschaufelkranz (2,
15) erstreckt, wobei die radiale Abmessung der Mischkammer (1), von den Eintrittsöffnungen (3,16, 17,4, 20) bis zur inneren Begrenzung des Pumpenlaufschaufelkranzes (2,15) gemessen, wenigstens gleich gross wie die radiale Abmessung des Pumpenlaufschaufelkranzes (2,15), gemessen von der inneren Begrenzung bis zur äusseren Begrenzung desselben, ist.
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ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamt- querschnitt der Eintrittsöffnungen (4,20) für das Gas in die Mischkammer (1) ungefähr gleich dem Gesamtquerschnitt der Eintrittsöffnungen (3, 16, 17) für die Flüssigkeit in die Mischkammer (1) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche lbis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Misch- kammer (l) begrenzenden Wände (8,13, 14) und die Eintrittsöffnungen für Flüssigkeit (16,17) und Gas (20) mit dem Pumpenlaufschaufelkranz (2,15) zu einem Rotor zusammengefasst sind.
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mantel liegen und dessen Fläche ganz oder zum Grossteil einnehmen, welcher Zylindermantel von der achsnormalen Symmetrieebene geschnitten wird, und dass die Flüssigkeitseintrittsöffnungen (16,17) den Gaseintrittsöffnungen (20) beiderseits benachbart sind.
8. Vorrichtungnach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassdieEintritts- öffnung oder-Öffnungen (3) für die Flüssigkeit oberhalb der Eintrittsöffnung oder -öffnungen (4) für das Gas vorgesehen sind.
9. Vorrichtungnach einemder Ansprüche Ibis 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Öffnungen (16,17) für den Eintritt der Flüssigkeit in den ringförmigen Mischraum (1) ein Turbinenlaufschaufelkranz (22) in Strömungsrichtung vorgelagert ist, welcher einen Bestandteil des Rotors bildet.
10. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zuführung der Flüssigkeit zur Zuführungsstelle des Gases unter wenigstens teilweiser Umwandlung ihres statischen Druckes in Geschwindigkeit erfolgt, wobei ein statischer Druck von mindestens 0, 1 at, vorzugsweise 0, 2 bis 2, 0 at in Geschwindigkeit umgesetzt wird.