DE10050030A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Eintragen von Gasen in flüssige MedienInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien. Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für dessen Durchführung entsprechend dem Gattungsbegriff der Erfindung zu schaffen, mit dem es gestattet ist, das Verfahren mit einem geringen Energieaufwand durchzuführen und durch eine Vergrößerung der die Flüssigkeit bewegenden, sich erneuernden Aktionsflächen der Vorrichtung das Bereitstellen einer großen Zahl von aktiven Grenzflächen für einen hohen Eintrag von Gasen in die Flüssigkeit zu ermöglichen. Die Erfindung löst die Aufgabe durch die erfindungsgemäßen Merkmale der Ansprüche 1 und 9.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien,
vorzugsweise Abwässer und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, zur Durchführung des mikrobiellen Abbaus von Schadstoffen in verun
reinigten Flüssigkeiten, vorzugsweise Abwässern, mittels geeigneter Vorrichtungen Gase
in diese Flüssigkeiten einzutragen. Die Gase werden dabei an Grenzflächen in die
Flüssigkeit aufgenommen, dort verteilt, mit den Mikrobakterien in Verbindung gebracht
und weiterhin für den Ablauf chemischer Vorgänge der Reinigung des Abwassers
benötigt. Die Grenzflächen und deren kontinuierliche Erneuerung werden mit Vorrich
tungen erzeugt, welche die Flüssigkeit in Bewegung versetzen, ihre Oberflächen
aufteilen, vergrößern und damit den Gasen, insbesondere Sauerstoff die Voraussetzung
eröffnen, mit den Flüssigkeiten in Lösung zu gehen. Das Betreiben dieser Vorrichtungen
ist mit hohem energetischen Aufwand verbunden und ihr Wirkungsgrad für den
wirtschaftlichen Betrieb der entsprechenden Anlagen, in denen die Vorrichtungen
arbeiten, entscheidend. Je höher der Ertrag an eingetragenen O2-Einheiten, gemessen an
dem Verbrauch von KWh ist, desto größer ist die Wirtschaftlichkeit und das
Abbauergebnis solcher Anlagen. Die bisher verwendeten Rühr- und Bewegungssysteme
zum Eintragen von Gasen in die Flüssigkeit, insbesondere rotorische, also mit hohen
Drehzahlen arbeitende, zentrisch bewegte Aggregate führten dazu, die Flüssigkeit wohl in
eine Bewegung zu versetzen und Gas-Flüssigkeits-Gemische zu erzeugen, jedoch führte
diese Anordnung sowie die hohe Bewegungsgeschwindigkeit der Rotoren dazu, dass die
Flüssigkeit in größeren Volumina als Gas-Flüssigkeits-Gemisch in Form von Aerosolen
über der Wasseroberfläche ausgeworfen und damit eine große, relative Oberfläche der
Flüssigkeit erzeugt wird, aber die Ausbeute an aktiven Grenzflächen zum Eindringen
eines Gases in die Flüssigkeit sehr eingeschränkt ist und damit die Wirtschaftlichkeit
solcher Anlagen sinkt. Es sind Wege beschritten worden, die Rotoren konstruktiv zu
verändern und so die eben genannten Nachteile zu eliminieren. Dabei beschrittene Wege
einer Optimierung der Schaufelanordnung in den Rotoren bzw. die radiale Erstreckung
von an größeren Hebelarmen angeordneten, rotierenden Schaufeln führten nicht zu dem
erwünschten energetischen und wirtschaftlichen Erfolg. Eingeführte Lösungen, die
aktiven Flächen der in die Flüssigkeit eingetragenen Schaufeln zu vergrößern, d. h. ihre
Anzahl oder ihre Gesamtwirkungsfläche durch Vergrößerung der Rotoren anzuheben,
bringen bei sehr großem Energieverbrauch nur eine geringfügig größere Menge an in die
Flüssigkeit eingetragenem Gas.
An dieser Schwierigkeit sind bisher alle Versuche der Fachwelt gescheitert. Die
Grundanforderung eines möglichst geringen Energieverbrauchs bei hohem Gaseintrag ist
immer nur mit einem unproportionalen Ergebnis verändert worden, da der benötigte
Energieeinsatz weit größer war als die Steigerung des Gaseintrags. Die DE OS 19 64 308
offenbart eine Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeit, z. B. von
Belebtschlamm, in Kläranlagen. Sie besteht aus einem vorzugsweise axialen Pumpen
laufrad und einem Turbinenlaufrad, welches mit senkrechter Drehachse in der Flüssig
keitsoberfläche angeordnet ist. Gemäß dieser Schrift ist das Pumpenlaufrad in axialer
Erstreckung von dem Turbinenlaufrad entfernt, wobei das Turbinenlaufrad in der
entfernteren Ebene einen Innendurchmesser aufweist, der in unmittelbarer Berührung mit
senkrecht aufsteigenden, in eine horizontale Richtung übergehenden Leitkanälen gebracht
ist. Die durch das Pumpenlaufrad bewegte Flüssigkeit ist direkt auf die Schaufeln des
konzentrisch darum rotierenden Turbinenlaufrades gerichtet. Der dynamische Erfolg
dieser konstruktiven Anordnung ist darin zu sehen, dass der Außendurchmesser des mit
Schaufeln bestückten Turbinenlaufrades eine größere Aktionsfläche im Bereich des
Flüssigkeitsspiegels gewährleistet, jedoch der energetische Aufwand zum Betreiben
dieser Vorrichtung nicht gesenkt werden kann, weil der durch das Pumpenlaufrad gegen
das Turbinenlaufrad gerichtete Flüssigkeitsstrom hohe Rückstellkräfte auf das
Pumpenlaufrad erzeugt. Damit wirkt die erreichte Verbindungskraft zwischen getrie
benem Pumpenlaufrad und leerlaufendem Turbinenlaufrad wie eine starre Kupplung und
das Moment zum Bewegen des Gesamtsystems wird so groß wie das Moment zum
Erzeugen der Rotation des Pumpenlaufrades mit starr verbundenem Turbinenlaufrad.
Daran ändert auch die Möglichkeit wenig, dass der axiale Zwischenraum zwischen
Turbinenlaufrad und Pumpenlaufrad variierbar ist, indem das Gehäuse mit dem Turbinen
laufrad axial bewegbar auf der Pumpenlaufradwelle gehalten ist.
Die CH PS 41650 offenbart eine radial laufende Turbomaschine mit darauf angeordneten
Diffusern. Gemäß dieser Anordnung weist ein Diffuser mindestens zwei konzentrisch
verlaufende Reihen mit Schaufeln besetzter Laufräder auf. Die Schaufeln sind dabei in
die Flüssigkeit vollständig eingetaucht. Ein Pumpenlaufrad saugt die Flüssigkeit vom
Grunde eines Abwasserbehälters auf, die durch einen rohrförmigen Kanal geführt, über
der Oberfläche mittels der Laufräder durch die Zentrifugalkraft aus diesen ausgeworfen,
über die Flüssigkeit strömend auf deren Oberfläche auftreffen und tropfenförmig in sie
eindringen. Der Betrieb der Vorrichtung führt dazu, dass die Flüssigkeit auf dem Laufrad
gegen die feststehenden äußeren Führungsgrenzen geschleudert wird, tropfenförmig
aufgeteilt in eine parabelförmigen Flugbahn gebracht, auf die Flüssigkeitsoberflächen
auftrifft. Eine Vergrößerung der aktiven Wirkfläche der Vorrichtung ist dieser Schrift
nicht zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Eintragen von Gasen in
flüssige Medien, vorzugsweise Abwässer und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zu schaffen, das für seine Durchführung einen geringen Energieaufwand
erfordert und durch eine Vergrößerung der die Flüssigkeit bewegenden, sich erneuernden
Aktionsflächen der Vorrichtung das Bereitstellen einer großen Zahl von aktiven
Grenzflächen für einen hohen Eintrag von Gasen in die Flüssigkeit erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Eintragen von Gasen in ein
flüssiges Medium gelöst, dass mit einem zentrisch gelagerten, motorisch getriebenen
Rotor arbeitet, den ein konzentrisch, darum frei drehbarer Läufer umgibt. Zwischen dem
Rotor und dem Läufer ist ein ringförmiger Abstand vorhanden, der als gleichmäßig
ausgeformter Zwischenraum ausgebildet wird, in den ein vom Rotor erzeugtes, sich radial
bewegendes, in Tropfenform aufgelöstes Flüssigkeits-Gas-Gemisch in vorwiegend
radialer Richtung mit einer vertikalen Komponente hineingeschleudert wird. Dieses
tropfenförmige Flüssigkeits-Gas-Gemisch bewegt den Läufer, ohne auf den Rotor eine
belastende Rückstellkraft einwirken zu lassen, weil die Bewegungsenergie des Gemisches
auf den äußeren Läufer radial übertragen wird und das Gemisch seinen amorphen Zustand
nach Abgabe seiner Bewegungsenergie auf den äußeren Läufer aufgebend, seine
Tropfenform verliert und als Flüssigkeits-Gas-Gemisch von der Flüssigkeit unter dem
Zwischenraum aufgenommen wird. Der Läufer, in eine Rotation versetzt, erzeugt eine
sich radial nach außen bewegende, in die Flüssigkeit eingetragene Druckwelle, wobei aus
den Schaufelblättern am Umfang des Läufers eine schichtförmige, konstant gehaltene
Flüssigkeitsschürze herausgedrückt wird, die über der Wasseroberfläche gleitend,
großflächig in partielle Teile aufgespalten wird und diese Teile, die
Flüssigkeitsoberfläche furchend, Grenzflächen erzeugend, mit Druck auf die Flüssigkeit
gerichtet, von der Flüssigkeit aufgenommen werden.
Die Erfindung ist vorteilhaft ausgebildet, wenn der ringförmige Läufer im Bereich der
dem Rotor zugerichteten Seite, an seiner unteren, der Flüssigkeit zugewendeten Fläche
mit Schaufelblättern bestückt ist. Mittels dieser Schaufelblätter, die entsprechend geformt
und geneigt sind, wird die vom Rotor radial gerichtete Bewegung des tropfenförmigen
Gemisches im Zwischenraum vor dem Läufer in eine Rotationsbewegung des Läufers
übertragen. Nach Abschluss der Übertragungsarbeit verliert das Flüssigkeits-Gas-
Gemisch im Zwischenraum seine Tropfenform und fällt in die Flüssigkeit zurück.
Dadurch, dass das Gemisch im Moment des Auftreffens auf die Schaufelblätter des
äußeren Läufers seinen tropfenförmigen Zustand und seine Bewegungsenergie verliert,
erzeugt es zwischen dem treibenden Rotor und dem getriebenen Läufer keine Rückstell
kraft, so dass die eingetragene motorische Energie nur für die Bewegung des Rotors
benötigt wird. Es ist im Sinne der Erfindung, dass mit dem tangentialen Auftreffen der
Schaufelblätter auf das radial in deren Wirkbereich bewegte tropfenförmige Flüssigkeits-
Gas-Gemisch ein pulsierender Druck in der Flüssigkeit erzeugt wird. Das Flüssigkeits-
Gas-Gemisch läuft an jedem Schaufelblatt partiell, die Flüssigkeit taktförmig berührend,
herab. Eine sinnvolle Ausgestaltung des Verfahrens kann darin gesehen werden, dass die
Schaufelblätter über den vertikalen Zwischenraum des Läufers hinausgehend in das
flüssige Medium eingetaucht sind und mit der Rotationsbewegung des Läufers geführt,
das flüssige Medium in eine horizontal kreisende, radial nach außen verlaufende und
vertikal auf und absteigende Bewegung versetzt wird. Die Erfindung weiter ausbildend,
ist die Größe der erneuerbaren, aktiven Grenzflächen zur Aufnahme von Gasen in die
Flüssigkeit durch einen zweiten Kranz Schaufelblätter, als Rührschaufeln profiliert, die in
ringförmiger Anordnung um den inneren Schaufelblätterkranz gesetzt sind, beeinflusst.
Das flüssige Medium wird durch die in einer zweiten, äußeren Reihe auf den Läufer
angeordneten, in das Medium ragenden Schaufelblätter in eine intensive, sich in
konzentrischen Bahnen spiralförmig kreisende Bewegung versetzt, wobei zusätzlich aus
der so bewegten Flüssigkeit eine geschlossene Flüssigkeitsschürze in einer zweiten Ebene
gleitend, schichtartig, partiell grob aufgeteilt, über die umgebende Flüssigkeitsoberfläche
bewegt wird und durch die partiell auftreffenden Flüssigkeitsteile die Oberfläche des
flüssigen Mediums radial verlaufend gefurcht wird. Das Verfahren sinnvoll weiterge
staltend wird bei der Rotation des Läufers die Flüssigkeit zwischen den konzentrisch
angeordneten Schaufelblätterkränzen im Bereich der jeweilig sich radial gegenüber
liegenden Schaufelblätter durch einen düsenförmigen Schlitz gepresst. Vorteilhafterweise
wird damit, die schnellere Rotationsbewegung des Läufers ausnutzend, das langsamer
bewegte, flüssige Medium durch die schlitzförmige Düse gepresst und eine höhere
Geschwindigkeit des Mediums nach dem Düsenaustritt erreicht, als die Umfangs
geschwindigkeit des Läufers beträgt. Die Erfindung vollständig ausbildend wird das
Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt, die auf einer, die Oberfläche des flüssigen
Mediums überspannenden Trageinrichtung aufgesetzt, über einen motorisch getriebenen
inneren Rotor und einen äußeren, frei drehenden Läufer verfügt, der einen Abstand über
der Flüssigkeit bildend gehalten und darin teilweise mit seinen Schaufelblättern
eingetaucht, in einer konzentrischen Lage zum Rotor mit einem Abstand gehalten, einen
ringförmig freien Raum ausbildet, in dem ein vom Rotor erzeugtes, tropfenförmiges
Flüssigkeits-Gas-Gemisch in einer radialen Bewegungsrichtung austretend, eingeleitet,
über den äußeren Läufer so in eine Wirkbewegung gebracht ist, dass der Läufer mit dem
Rotor in eine gleichsinnige Drehbewegung versetzt ist. Es ist im Sinne der Erfindung,
dass der Abstand des Läufers vom Rotor in radialer Richtung größer ist als der vertikale
Abstand des Läufers von der Oberfläche des flüssigen Mediums. Die Erfindung sinnvoll
ausbildend ist der Läufer in einem vom getriebenen Rotor unabhängigen Loslager
konzentrisch geführt. Ausgebildet wird die Erfindung dadurch, dass der Läufer an seiner
der Flüssigkeit zugerichteten Unterseite über Schaufelblätter verfügt, die vom Läufer in
einem vertikalen Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche gehalten, mit ihren vom Läufer
abgewandten Schaufelenden in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Sinnvoll ist die
Erfindung ausgeformt, wenn der zwischen dem Rotor und dem Läufer gebildete Raum
vom tropfenförmigen Flüssigkeits-Gas-Gemisch ausgefüllt ist, das seine Bewegungs
energie auf die Schaufelblätter übertragend, den Läufer in eine im flüssigen Medium
verlaufende Rotation versetzt. Die Rotationsbewegung wird erzeugt, wenn die Schaufel
blätter des Läufers im Abstand über der Oberfläche der Flüssigkeit gehalten, nicht
vollständig in diese eingetaucht sind. Gleichzeitig entsteht dabei der die Erfindung
tragende wesentliche Vorteil, dass das tropfenförmige Flüssigkeits-Gas-Gemisch in den
freien Abstand der Schaufelblätter über der Flüssigkeit angreifen kann und den Läufer in
eine Rotationsbewegung versetzt. Wesentlich für die Erfindung ist es, dass der radiale
Abstand zwischen Rotor und Läufer so gehalten ist, dass der Läufer in eine rotierende
Bewegung versetzt wird, aber die Rückstellkräfte nicht mehr auf den Rotor zurück
schlagen können. Dadurch bleibt auch bei Vorhandensein einer erheblichen Vergrößerung
der Arbeitsflächen und der damit zur Verfügung stehenden Aktionsflächen für die
Erzeugung erneuerbarer, aktiver Grenzflächen für das Eintragen von Gasen der Energie
aufwand gleich, der nur zur Erzeugung der Rotation des Rotors allein aufzuwenden wäre.
Die Erfindung gestaltet sich dadurch aus, dass die Schaufelblätter des inneren Kranzes
des Läufers von einem weiteren äußeren Schaufelblätterkranz, dessen Schaufeln
gleichfalls vertikal in die Flüssigkeit ragen, umgeben sind. Die Schaufelblätter des
äußeren Schaufelblätterkranzes haben dabei eine größere axiale Erstreckung und
Eintauchtiefe sowie breiter dimensionierte Aktionsflächen als die Schaufelblätter des
inneren Kranzes. Durch diese vorteilhafte Gestaltung ist es möglich, den Wirkungsgrad
des Läufers nicht nur im Hinblick auf seine kinetische Energie, sondern auf die
Erzeugung einer größeren Menge an aktiven, sich erneuernden Grenzflächen zu richten.
Dem Grundsatz einer höheren Energieausnutzung folgend, ist die Erfindung damit
weitergebildet, dass zwischen den ringförmig nebeneinandergesetzten Schaufelblättern
des inneren und äußeren Schaufelblätterkranzes ein sich in radialer Richtung in seiner
Breite bestimmter, axial erstreckender Zwischenraum ausgebildet ist, durch den bei der
Rotationsbewegung die Flüssigkeit mit hohem Druck, tangential geführt, gegenüber der
Rotationsgeschwindigkeit des Läufers in eine erhöhte Geschwindigkeit versetzt ist.
Dieser Zwischenraum hat die Wirkung einer Düse, welche die Flüssigkeit entgegen
gesetzt der Drehrichtung des Läufers in einer Art Rückstoss beschleunigt. Die erfindungs
gemäße Lösung ausbildend ist der Läufer an seiner Außenfläche ringförmig von einem
Leitblech umgeben, das mit seiner Unterkante gegen die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet
ist, wobei die Erfindung in dieser Richtung weiterführend, das ringförmige Leitblech mit
seiner Unterkante einen Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche aufweist. Das Leitblech
kann zylindrisch ausgebildet, vertikal gegen die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet sein,
wobei die Erfindung gleichermaßen ausgefüllt ist, wenn das Leitblech an seiner der
Flüssigkeitsoberfläche zugerichteten Unterkante einen größeren Durchmesser aufweist als
der am Läufer anliegende Bereich. Die Erfindung ausgestaltend ist der Läufer mit einer
Abtriebsvorrichtung zur Übertragung von Energie auf andere Teilaggregate verbunden.
Dabei kann die Abtriebsvorrichtung wahlweise ein Riementrieb oder eine anders
gestaltete, formschlüssige Verbindung sein, wobei die erfindungsgemäße Lösung nicht
verlassen wird, wenn der Abtrieb mit einer kraftschlüssigen Verbindung vorgenommen
wird. Es ist vorteilhafter Weise denkbar, dass das angetriebene Teilaggregat ein
Verdichter ist, dessen verdichtetes Gas in das flüssige Medium eingetragen, für den
Reinigungsvorgang eines Abwassers beschleunigend eingesetzt wird. Der Erfindung sind
umfangreiche Vorteile zuzuordnen. Der Primärvorteil der verfahrensgemäßen Anwen
dung der Vorrichtung ist darin zu sehen, dass bei geringem Einsatz von Energie eine
außerordentlich hohe Ausbeute bei der Gewinnung von für den Gasaustausch
notwendigen, sich erneuernden, aktiven Grenzflächen erreicht wird und damit große
Mengen Gas in die Flüssigkeit eingetragen werden können. Insbesondere wird dieses
dadurch erreicht, dass nur der Rotor motorisch getrieben wird und der Läufer frei drehend
an einem Loslager konzentrisch um diesen angeordnet ist und das aus dem Rotor
vorwiegend in radialer Richtung austretende, tropfenförmig aufgelöste Flüssigkeits-Gas-
Gemisch den Läufer antreibt. Um die bei homogen geschlossen ausgebildeten Flüssig
keiten auftretende Rückstellkraft zwischen treibenden und getriebenen Teilaggregaten
und damit einen höheren Energieverbrauch zu vermeiden, geht die erfindungsgemäße
Lösung den Weg, zwischen dem Rotor und dem Läufer einen konzentrisch ausgebildeten
Zwischenraum anzuordnen, dessen Höhe durch den freien Abstand des Läufers von der
Oberfläche des flüssigen Mediums bestimmt ist. Die Schaufelblätter des Läufers sind zur
Aufnahme der linearen Radialbewegung des tropfenförmigen Flüssigkeits-Gas-
Gemisches und Umsetzung des Läufers in eine Rotationsbewegung entsprechend
ausgeformt. Der Zwischenraum zwischen Rotor und Läufer ist in seiner horizontalen
Erstreckung erfindungsgemäß so gewählt, dass das tropfenförmige Flüssigkeits-Gas-
Gemisch beim Auftreffen auf die Schaufelblätter des Läufers eine ausreichende
Bewegungsenergie hat, um den Läufer in eine Rotationsbewegung zu treiben, um dann
seine amorphe Form aufgebend, an den Schaufelblättern abfließend in die Flüssigkeit zu
gelangen. Der mitlesende Fachmann erkennt jetzt das Wesen der Erfindung, das darin
angesiedelt ist, dass das Flüssigkeits-Gas-Gemisch bis zum Auftreffen auf die
Schaufelblätter des Läufers seine amorphe Gestalt behält, dadurch keine Rückstellkraft
auf den Rotor erfolgt und die Antriebsenergie für die Gesamtvorrichtung nur so groß ist,
wie der Rotor sie für seine eigene Rotationsbewegung in der Flüssigkeit benötigt. Es ist
für die Erfindung nicht nachteilig, dass im Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem
Läufer ein Energieverlust in der Form eines Schlupfes zwischen Rotor und Läufer
vorhanden ist. Dadurch rotiert der Läufer, gesehen an seinen Umdrehungszahlen
gegenüber dem Rotor, langsamer, hat aber eine weitaus höhere Umfangsgeschwindigkeit
als der Rotor und eine umfassendere Eintragsergiebigkeit an erneuerbaren, aktiven
Grenzflächen durch seine höhere Flächengröße gegenüber dem Rotor. Die Schaufelblätter
des Läufers sind nur in einer bestimmten Tiefe eingetaucht und bewegen durch seine
Rotationsbewegung die Flüssigkeit gleichsinnig in konzentrischen Kreisen. Sie erzeugen
bei ihrem Umlauf eine pulsierende Überlagerung der Bewegungsspuren der Schaufel
blätter in der Flüssigkeit. Die kleinere Umdrehungszahl des Läufers gegenüber dem Rotor
bringt an seinem Umfang eine nur geringfügig zerteilte Flüssigkeitsschürze zum Austritt
und verbessert damit den für die Ausbildung der aktiven Grenzflächen notwendigen
Druck in die Flüssigkeit. Primär werden mehr aktive Arbeitsflächen in der Flüssigkeit in
Aktion bewegt, als der Rotor allein aufweisen könnte. Dabei wird jedoch nur eine geringe
Menge an Energie verbraucht, die der gleich ist, welche der Rotor für die Initiierung
seiner Bewegung benötigt. Das Arbeitsregime des Läufers lässt bei voller Eintauchtiefe
der Schaufelblätter noch soviel Restenergie frei, dass über einen entsprechenden Abtrieb
vom Läufer ein Verdichter angetrieben werden kann, der dazu dient, ein Gas zu
verdichten, das über Belüfter von unten in die Flüssigkeit eingetragen werden kann. Der
deutlich herausgearbeitete Vorteil der Erfindung wird dadurch vergrößert, dass der innere
Schaufelblätterkranz des Läufers mit einem äußeren Schaufelblätterkranz umgeben wird.
Die Schaufelblätter sind als Rührschaufeln ausgebildet und ragen tiefer als die Schaufeln
des inneren Kranzes in die Flüssigkeit. Sie erzeugen bei der Rotation unter Berück
sichtigung der Zentrifugalkraft eine Flüssigkeitsschürze, die partiell grob aufgeteilt, die
Flüssigkeitsoberfläche auffurchend, darüber gleitend bewegt wird. Weiterhin ist durch die
Rührschaufeln des äußeren Schaufelblätterkranzes eine vollständige Energieausnutzung
durch die Vergrößerung der Ausbeute an aktiven, sich erneuerbaren Grenzflächen zu
verzeichnen, welche die im Becken befindliche Flüssigkeit intensiver in eine kreisende
Horizontal- und Vertikalbewegung versetzen, ohne mehr Energie zu verbrauchen, wie zur
Bewegung des Rotors benötigt wird, wenn er allein in dem flüssigen Medium bewegt
werden würde.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der
zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1: Die Vorrichtung in einer schematischen Darstellung, teilweise im Schnitt mit
zugeordnetem Verdichter und Belüftern.
Fig. 2: Den Läufer mit Schaufeln in einer Untersicht.
Fig. 3: Die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Läufer, dem zwei Schaufelblätterkränze
zugeordnet sind.
Fig. 4: Eine Ansicht gemäß Fig. 2.
Fig. 5: Das Segment a aus Fig. 4.
Fig. 6: Das Segment a aus Fig. 4 um 180° gedreht mit angeordnetem Leitblech.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung mit einem in die Flüssigkeit eingetauchten Rotor 1, den ein
Läufer 2 in einem Abstand 19 konzentrisch umgibt. Der Läufer 2 ist auf der den Rotor 1
treibenden Welle 4 mit einem rotorischen Loslager 5 für eine vom Rotor unabhängige
Rotationsbewegung gehalten. An der Unterseite des Läufers 2 sind Schaufelblätter 6
angeordnet, die einen Abstand 10' bildend, über der Flüssigkeitsoberfläche 12 gehalten,
mit der Tauchtiefe t in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Mit dem Lager 5 des Läufers 2 ist
ein Abtrieb 13 verbunden, der über einen Riementrieb einen Verdichter 14 treibt, der mit
einer Leitung 18 verbunden, Gas an Belüfter 15; 16; 17 überträgt, die auf dem Boden eines
Flüssigkeitsbehälters angeordnet sind. Die Welle 4 des Rotors 1 ist mit einem Motor 8
verbunden, der den Rotor 1 in eine Drehbewegung versetzt. Der Rotor 1 ist mit seiner
Oberkante zur Flüssigkeitsoberfläche 12 annähernd bündig, in die Flüssigkeit eingetaucht.
Durch seine Rotationsbewegung erzeugt er ein tropfenförmiges Flüssigkeits-Gas-
Gemisch 11, das in einen Zwischenraum 10 eingetragen wird. Das Gemisch 11 erhält
dabei eine vorwiegend radiale Bewegungsrichtung mit einer vertikalen Komponente. Es
gelangt, sich im Zwischenraum 10 bewegend, auf die Schaufelblätter 6 des Läufers 2 und
versetzt, bedingt durch die dafür ausgebildeten Schaufelblätter 6, den Läufer in eine
Rotationsbewegung. Der Zwischenraum 10 ist horizontal durch den Abstand 19 sowie
vertikal durch den Abstand 10' bestimmt, den der Läufer 2 über der Flüssigkeits
oberfläche 12 aufweist. Der Abstand 10' und die Eintauchtiefe t bestimmen die Länge des
Schaufelblattes 6, wobei nicht nur der über der Flüssigkeit überstehende Teil des
Schaufelblattes 6 von dem Gemisch 11 vollständig berührt wird, da das durch den Rotor 1
aufgewirbelte tropfenförmige Gemisch 11 durch den entstandenen freien Raum auf die
Schaufelblätter 6 auftreffen kann. Die in der Tiefe t eingetauchten Schaufelblätter 6
versetzen die Flüssigkeit in eine tangential drehende und zentrifugal austragende
Bewegung. Diese Bewegungen werden in dem Moment erzeugt, wenn das tropfenförmige
Gemisch 11 auf die Flächen der Schaufelblätter 6 auftrifft. Nach dem Auftreffen und dem
Übertragen von Energie verliert es seinen tropfenförmigen Zustand sowie seine
Bewegungsenergie und fließt teilweise in die Flüssigkeit ab oder wird durch die Zentri
fugalkraft außen bewegt bzw. fließt in die Flüssigkeit zurück.
Fig. 2 zeigt den Läufer 2 in einer Sicht auf seine Unterseite. Der Läufer 2 umgibt den
Rotor 1 in einer konzentrischen Lage, seine Größe ist so bemessen, dass zwischen dem
Außendurchmesser des Rotors 1 und dem Innendurchmesser des ringförmigen Läufers 2
ein Zwischenraum 10 gebildet ist. Die ringförmig in gleichen Abständen angeordneten
Schaufelblätter 6 sind tangential geschwungen. Ihre Neigung aus der radialen in eine
tangentiale Richtung ermöglicht das Überleiten des radial gerichteten Druckes des
Flüssigkeits-Gas-Gemisches 11 in eine rotierende Bewegung. Die Neigungsrichtung der
Schaufelblätter 6 in ihrer tangentialen Auslage bestimmt die Drehrichtung des Läufers 2.
Fig. 3 zeigt eine Ausbildung der Vorrichtung, die grundsätzlich mit der Fig. 1 in seinen
wesentlichen Funktionsteilen in Übereinstimmung gebracht ist. Der zentrisch angeordnete
Rotor 1 ist über die Welle 4 mit einem Motor 8 verbunden. Er ist so weit in die
Flüssigkeit eingetaucht, dass seine Oberkante mit der Flüssigkeitsoberfläche 12
annähernd in Überdeckung gebracht ist. Auf der Welle 4 ist ähnlich der Ausführung wie
in Fig. 1 ein Loslager 5 angeordnet, das den Läufer 2 trägt. Der Läufer 2 weist hier einen
doppelten, kranzförmigen Besatz mit Schaufelblättern 6; 7 auf, die in einem Abstand 10'
aus der Flüssigkeit ragen und mit unterschiedlichen Eintauchtiefen T in die Flüssigkeit
eintauchen. Das Flüssigkeits-Gas-Gemisch 11 wird in gleicher Art und Weise wie in
Fig. 1 durch den Rotor 1 auf den inneren Kranz mit Schaufelblättern 6 gerichtet und treibt
den Läufer 2. Der mit Rührschaufeln 7 besetzte äußere Kranz wird dabei intensiv durch
die Flüssigkeit bewegt. Die übertragene Bewegungsintensität ist deshalb höher, weil die
Schaufelblätter 7 mit größerer Eintauchtiefe T in die Flüssigkeit ragen als die Schaufel
blätter 6 und dadurch eine höhere Pulsation des Druckes in die Flüssigkeit eintragen.
Durch die radial erstreckte Anordnung der Schaufelblätter 7 ist eine ganzflächige Druck
ausrichtung ihrer Frontflächen in die Flüssigkeit gewährleistet. Eine Erhöhung der
Intensität wird dadurch erreicht, dass die Schaufelblätter 7 entgegen der Drehrichtung
leicht angewinkelt sind, um eine bessere Führung in der Flüssigkeit zu erhalten und
Druckintervalle zu erzeugen. Im Außendurchmesser des Läufers 2 ist, wie in Fig. 3
halbseitig eingezeichnet, ein Leitblech 22 vorgesehen, welches den Läufer 2 ringförmig
umschließt.
Fig. 4 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht auf den Läufer 2. Entsprechend der
Darstellung ist die konzentrische Lage des Rotors 1 zu sehen sowie der zwischen dem
Rotor 1 und dem Läufer 2 ausgebildete Zwischenraum 10 in seiner radialen Erstreckung.
Die Schaufelblätter 6; 7 sind in zwei konzentrisch verlaufenden Kränzen auf dem Läufer 2
angeordnet. Die einander zugerichteten vertikalen, hier aus der Tafelebene ragenden,
Kanten der Schaufelblätter 6; 7 bilden zwischen sich einen Spalt, der wie später in Fig. 5
und 6 dargestellt, hier jedoch klar erkennbar, die Form einer schlitzförmigen Düse 21
erhalten hat. Durch die Kraft des sich im Zwischenraum radial bewegenden Gemisches 11
werden die Schaufelblätter 6 beaufschlagt und die radial auftreffende Kraft in eine
tangentiale Kraft umgelenkt, die den Läufer 2 in eine Rotationsbewegung versetzt. Der
um die Schaufeln 6 herum angeordnete Kranz mit Schaufeln 7 wird dabei durch die
Flüssigkeit getrieben und versetzt sie in eine kreisende, auf und abführende, horizontal
spiralförmig geführte Bewegung. Gleichzeitig leiten die radial verlaufenden Flächen der
Schaufelblätter 7 über ihre abgewinkelten Kanten die Flüssigkeit in eine nach außen
gerichtete Bewegung, die als Flüssigkeitsschürze 23 auf die Flüssigkeitsoberfläche 12
gehoben gleitend aus dem Läufer 2 austritt. Um zu vermeiden, dass die Flüssigkeits
schürze 23 bei ihrem Gleiten über der Flüssigkeitsoberfläche durch den Luftwiderstand
tropfenförmig zerrissen wird, ist das Leitblech 22 vorgesehen, welches die Schürze 23 in
Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche 12 zurücklenkt, so wie in Fig. 6 noch näher
erläutert.
Fig. 5 zeigt den Sektor a aus Fig. 4 mit zwei Paar nebeneinander liegenden
Schaufelblättern 6; 7. Wie dargestellt, sind die vertikal verlaufenden, einander
zugerichteten Kanten so weit beabstandet, dass sie zwischen sich eine schlitzförmige
Düse 21 freigeben, durch die bei Rotation des Läufers 2 die Flüssigkeit entgegen der
Drehrichtung des Läufers 2 getrieben wird und eine höhere Geschwindigkeit erhält als der
drehende Läufer 2. Einmal wird dadurch eine bessere Durchmischung erreicht und zum
anderen die im Zwischenraum initiierte Bewegungsenergie additiv erhöht. Mit der
Wirkung der schlitzförmigen Düsen 21 wird gleichzeitig die doch erhebliche
Bremswirkung der projizierten Flächen der Schaufelblätter 6; 7 herabgesetzt und eine
zusätzliche Beschleunigungskraft erhalten.
Fig. 6 zeigt die Richtung der Bewegung der Flüssigkeitsschürze 23 im Zusammenwirken
mit dem Leitblech 22. Die in Richtung des Pfeils 24 austretende Flüssigkeitsschürze 23
wird umgelenkt und gegen die Oberfläche 12 der im Behälter befindlichen Flüssigkeit
gerichtet wieder eingeführt. Das vorwiegend durch die Schaufelblätter 7 radial bewegte
flüssige Medium wird in Richtung des Pfeils 24 vertikal geschichtet, in großen Spiralen
drehend nach außen bewegt und die partiell grob aufgeteilte Flüssigkeitsschürze 23 in
eine die Flüssigkeitsoberfläche 12 furchend aufreißende Berührung gebracht. Die Fig.
5 und 6 zeigen übersichtlich die zusätzlichen technischen Maßnahmen und konstruktiven
Anordnungen, die erfindungsgemäß vorgesehen sind, den Wirkungsgrad des Läufers 2
aus der Sicht seines Energiebedarfes sowie des mit ihm erzeugten Eintrags von Gasen in
das flüssige Medium positiv zu beeinflussen. Die radiale Stellung der Schaufelblätter 7 im
Zusammenwirken mit dem Leitblech 22 sichert die Ausbildung einer über der Flüssig
keitsoberfläche 12 gleitenden Flüssigkeitsschürze 23 und deren großflächige Aufteilung
und grob partielle Eintragung zur Erzeugung von erneuerbaren, aktiven Grenzflächen in
die Flüssigkeit. Dabei wird die Flüssigkeitsoberfläche 12 zerfurcht und die Furchen in
Richtung des Pfeils 24 in der Flüssigkeit bewegt.
1
Rotor
2
Läufer
3
Träger
4
Welle
5
Lager
6
;
7
Schaufelblätter
8
Motor
9
Einzugsöffnung
10
Zwischenraum
10
' Abstand
11
Flüssigkeits-Gas-Gemisch
12
Flüssigkeitsoberfläche
13
Abtrieb
14
Verdichter
15
;
16
;
17
Belüfter
18
Leitung
19
Abstand
20
Schaufelbereich
21
Düse
22
Leitblech
23
Flüssigkeitsschürze
24
Richtungspfeil
t; T Eintauchtiefe
a Segment
t; T Eintauchtiefe
a Segment
Claims (23)
1. Verfahren zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien unter Verwendung eines
zentrisch gelagerten, motorisch getriebenen Rotors, den ein konzentrisch, darum
unabhängig drehbarer Läufer umgibt, zwischen denen mit einem ringförmigen
Abstand ein gleichmäßig ausgebildeter Zwischenraum ausgeformt wird, der ein vom
Rotor erzeugtes, sich radial bewegendes, in Tropfenform aufgelöstes Flüssigkeits-Gas-
Gemisch aufnimmt, mit dem aus dem Zwischenraum heraus, ohne eine auf den Rotor
einwirkende Rückstellkraft, die Bewegungsenergie des Gemisches auf den äußeren
Läufer für seine eigene Rotationsbewegung übertragen und nach der Übertragung das
Gemisch von dem flüssigen Medium energielos, seine Tropfenform verlierend, im
Zwischenraum wieder aufgenommen wird, wobei mit dem Läufer in der Flüssigkeit
drehend eine sich radial nach außen bewegende Druckwelle erzeugt wird und aus den
Schaufelblättern eine schichtförmige Flüssigkeitsschürze herausgedrückt wird, welche
die Oberfläche übergleitend, großflächig aufspaltend, zerfurcht und Grenzflächen
erzeugt, die in die Flüssigkeit eindringend, von dieser aufgenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Läufer im
Bereich der dem Rotor zugerichteten Innenseite an seiner Unterseite mit
Schaufelblättern bestückt ist, mit denen die vom Rotor weg, radial gerichtete
Bewegung des Gemisches im Zwischenraum in eine Rotationsbewegung des Läufers
übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das tropfenförmige
Flüssigkeits-Gas-Gemisch nach Abschluss der Übertragung seiner Bewegungsenergie
auf den Läufer, im Zwischenraum seine Tropfenform verliert und in die Flüssigkeit
eingetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem
tangentialen Auftreffen der Schaufelblätter auf das radial in deren Wirkbereich
bewegte tropfenförmige Flüssigkeits-Gas-Gemisch, an den Blätterflächen seine
Tropfenform verlierend und in die Flüssigkeit zurückfließend, in der Flüssigkeit ein
pulsierender Druck erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter
über den vertikalen Zwischenraum hinausgehend in das flüssige Medium eingetaucht
sind und mit der Rotationsbewegung des Läufers geführt, das flüssige Medium in eine
horizontal kreisende, radial nach außen verlaufende und vertikal auf und absteigende
Bewegung versetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Läufer
erzeugter, von dem flüssigen Medium nicht aufzunehmender Energieüberschuss
mittels kraft- oder formschlüssiger Verbindungen auf peripher vorgesehene Teil
aggregate übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der sich
erneuernden, aktiven Grenzflächen zur Aufnahme von Gasen in die Flüssigkeit durch
eine zweite Reihe Schaufelblätter, als Rührschaufeln profiliert, die in kranzförmiger
Anordnung um den inneren Schaufelblätterkranz gesetzt sind, beeinflusst wird und das
flüssige Medium durch die in einem zweiten Kranz in das Medium ragenden Schaufel
blätter intensiv in eine kreisende Bewegung versetzt wird, wobei zusätzlich aus der so
bewegten Flüssigkeit eine Flüssigkeitsschicht in eine zweite Ebene gehoben, als
flächige Schürze partiell grob getrennt auf die umgebende Flüssigkeitsoberfläche
gehoben wird und durch die partiell auftreffenden Teile in die Flüssigkeitsoberfläche
radial verlaufende Furchen erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rotation des
Läufers die Flüssigkeit zwischen den konzentrisch angeordneten Schaufelblattkränzen
durch einen düsenförmigen Schlitz gepresst wird und in diesen Bereichen einen
Druck- und Geschwindigkeitszuwachs erhält.
9. Vorrichtung zum Eintragen von Gas in flüssige Medien, die auf einer die Oberfläche
des Mediums überspannenden Trageinrichtung aufgesetzt, über einen motorisch
getriebenen, inneren Rotor (1) und einen äußeren, unabhängig drehend bewegbaren
Läufer (2) verfügt, der einen Abstand (10') über der Flüssigkeit bildend, gehalten und
darin teilweise mit Schaufelblättern (6; 7) eingetaucht, in einer konzentrischen Lage
den Rotor (1) in einem Abstand (19) einen ringförmig freien Raum (10) ausbildet, in
dem ein vom Rotor (1) erzeugtes tropfenförmiges Flüssigkeits-Gas-Gemisch (11) in
einer radialen Bewegungsrichtung austretend, eingeleitet, mit dem äußeren Läufer (2)
so in eine Wirkverbindung gebracht ist, dass der Läufer (2) in eine mit dem Rotor (1)
gleichsinnige Drehbewegung versetzt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (19) des
Läufers (2) vom Rotor (1) in radialer Richtung größer als der vertikale Abstand (10')
des Läufers (2) von der Oberfläche (12) des flüssigen Mediums ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) in einem
vom getriebenen Rotor (1) rotorisch unabhängigen Loslager (5) konzentrisch gelagert
ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) an seiner
der Flüssigkeit zugerichteten Unterseite über Schaufelblätter (6) verfügt, die vom
Läufer (2) in einem vertikalen Abstand (10') von der Flüssigkeitsoberfläche (12)
gehalten, mit ihren vom Läufer (2) abgewandten Schaufelbereichen (20) in die
Flüssigkeit eingetaucht sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem
vertikalen Abstand (10') gebildete, sich weiter horizontal erstreckende Raum 10 von
dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch (11) ausgefüllt ist, mit dem, seine Bewegungsenergie
darüber auf die Schaufelblätter (6) übertragend, der Läufer (2) in eine im flüssigen
Medium verlaufende, bewegende Rotation versetzt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2), die
Schaufelblätter (6) kranzförmig umgebend, zu den Schaufeln (6) vertikal gleich
gerichtete, in einem Kranz verlaufende Schaufelblätter (7) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter
(7) eine größere axiale Erstreckung und Eintauchtiefe (T) sowie breiter dimensionierte
Aktionsflächen aufweisen als die Schaufeln (6).
16. Vorrichtung nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der darauf folgenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den im Kranz paarweise
nebeneinander gesetzten Schaufelblättern (6; 7) ein sich in radialer Richtung in seiner
Breite bestimmter axial erstreckender Zwischenraum ausgebildet ist, durch den bei der
Rotationsbewegung die Flüssigkeit mit hohem Druck tangential geführt, in eine
gegenüber der Rotationsgeschwindigkeit überhöhte Geschwindigkeit versetzt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der darauf folgenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) in seiner Außenfläche
ringförmig von einem Leitblech (22) umgeben ist, das eine gegen die Flüssigkeits
oberfläche (12) gerichtete Unterkante aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante des
ringförmigen Leitbleches (22) einen Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche (12)
aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 9, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech
(22) zylindrisch ausgebildet, vertikal gegen die Flüssigkeitsoberfläche (12) gerichtet
ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 9, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech
(22) an seiner Unterkante einen größeren Durchmesser aufweist als der am Läufer (2)
anliegende Bereich.
21. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) mit einer
Abtriebsvorrichtung (13) zur Übertragung von Energie verbunden ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebs
vorrichtung (13) ein Riementrieb ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abtriebs
vorrichtung (13) ein damit angetriebener Verdichter (14) verbunden ist.
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