DE10050030B4

DE10050030B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien

Info

Publication number: DE10050030B4
Application number: DE2000150030
Authority: DE
Inventors: Reinhardt Schulz
Original assignee: SCHULZ VERFAHRENSTECHNIK GmbH
Current assignee: SCHULZ VERFAHRENSTECHNIK GmbH
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: DE10050030A1

Abstract

Verfahren zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien, vorzugsweise Abwässer bei dem ein zentrisch gelagerter Rotor, welcher von einem unabhängig drehbaren Läufer mit Schaufelblättern konzentrisch umgeben ist, motorisch getrieben im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche bewegt und dabei ein von dem Rotor erzeugtes, Tropfenform aufweisendes Flüssigkeits-Gas-Gemisch radial durch einen, zwischen dem Rotor und dem Läufer mit einem ringförmigen Abstand, gleichmäßig ausgeformten Zwischenraum auf die teilweise in die Flüssigkeit eintauchenden Schaufelblätter des Läufers bewegt wird, wo es seine Bewegungsenergie nahezu vollständig, ohne eine zusätzliche auf den Rotor einwirkende Rückstellkraft hervorzurufen, auf den Läufer überträgt und seine Tropfenform verlierend, wieder in den Zwischenraum zurückfällt, wobei von dem durch das auftreffende Flüssigkeits-Gas-Gemisch in eine Rotationsbewegung versetzten Läufer eine sich radial nach außen bewegende Druckwelle erzeugt wird und oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche eine schichtförmige Flüssigkeitsschürze aus den Schaufelblättern des Läufers herausgedrückt wird, welche die von den Schaufelblättern bewegte Flüssigkeit überstreicht, diese zerfurcht und Grenzflächen erzeugt, welche, von...

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 verunreinigten 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 Vorrichtungen 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 rotatorische, 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 19 64 308 A offenbart eine Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeit, z.B. von Belebtschlamm, in Kläranlagen. Sie besteht aus einem vorzugsweise axialen Pumpenlaufrad und einem Turbinenlaufrad, welches mit senkrechter Drehachse in der Flüssigkeitsoberfläche 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 getriebenem 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 Turbinenlaufrad axial bewegbar auf der Pumpenlaufradwelle gehalten ist.

Die CH 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.

Durch die DE 16 32 423 B2 wird eine Vorrichtung zur Begasung von Flüssigkeiten beschrieben, bei welcher die zu begasende Flüssigkeit mittels eines ersten radial wirkenden und eines weiteren unterhalb des ersten angeordneten, axial wirkenden Schaufelrades bewegt wird. Zwar wird wohl durch diese Vorrichtung eine bessere Begasung der Flüssigkeit erreicht, jedoch ist dazu auch hier, im Hinblick darauf, dass zwei Schaufelräder anzutreiben ein erhöhter Energieaufwand erforderlich, wenngleich dieser sich möglicherweise nicht linear mit der Menge zusätzlich in die Flüssigkeit eingebrachten Gases steigt.

Die US 5, 358, 671 A beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Rotor von einem Stator mit speziell ausgebildeten Strömungskanälen umgeben ist, wobei die Strömungskanäle in Richtung der Strömungsoberfläche weisende Öffnungen aufweisen. Mittels der Vorrichtung wird eine homogenere Verteilung des Gases in der Flüssigkeit erreicht. Jedoch werden keine zusätzlichen beziehungsweise vergrößerten Grenzflächen erzeugt, welche zu einem erhöhten Gaseintrag führen würden. Vergleichbar hiermit ist die in der US 4,741,869 , bei welcher die Begasung der Flüssigkeit unter einer Art Glocke erfolgt, die in der Nähe ihres Außenumfangs aus der Flüssigkeit herausragende Gasaustrittskanäle aufweist. Zur Begasung wird der Flüssigkeit Luftsauerstoff zugeführt, wobei Luftanteile, welche ihren Sauerstoff unterhalb der Glocke bereits an die Flüssigkeit abgegeben haben, über die Gasaustrittskanäle entweichen können, so dass sie nicht den Eintritt der zugeführten Frischluft behindern. Eine Aktivierung zusätzlicher Grenzflächen für eine vermehrte Gas- beziehungsweise Sauerstoffaufnahme wird aber auch mit dieser Vorrichtung nicht erreicht.

Schließlich wird durch die US 4,468,358 eine Vorrichtung beschrieben, bei der mittels zweier oder eines entsprechend geformten Schaufelrades in einer zu begasenden Flüssigkeit eine horizontale und eine vertikal zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtete Strömung erzeugt wird. Hierdurch werden eine intensivere Begasung der tieferen Flüssigkeitsschichten und eine intensivere Durchmischung der Flüssigkeit erreicht. Die Menge des Gaseintrags erhöht sich jedoch gegenüber anderen bekannten Lösungen nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien, vorzugsweise Abwässer, zu schaffen, welches durch die Erzeugung einer großen Zahl von aktiven Grenzflächen einen hohen Eintrag von Gasen in die Flüssigkeit erlaubt. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche durch eine Vergrößerung der die Flüssigkeit bewegenden Aktionsflächen bei der Verfahrensdurchführung einen geringen Energieaufwand erfordert.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Eine die Aufgabe lösende Vorrichtung ist durch die Merkmale des ersten Vorrichtungsanspruchs charakterisiert. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.

Gemäß der Erfindung wird ein zentrisch gelagerter Rotor, welcher von einem unabhängig drehbaren Läufer mit Schaufelblättern konzentrisch umgeben ist, motorisch getrieben im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche bewegt. Dabei wird ein von dem Rotor erzeugtes Flüssigkeits-Gas-Gemisch, welches Tropfenform aufweist, radial durch einen, zwischen dem Rotor und dem Läufer mit einem ringförmigen Abstand, gleichmäßig ausgeformten Zwischenraum bewegt. Dieses Flüssigkeits-Gas-Gemisch trifft schließlich auf die teilweise in die Flüssigkeit eintauchenden Schaufelblättern des Läufers, wo es seine Bewegungsenergie nahezu vollständig, ohne eine zusätzliche auf den Rotor einwirkende Rückstellkraft hervorzurufen, auf den Läufer überträgt. Dabei verliert es seine Tropfenform und fällt wieder in den Zwischenraum zwischen Rotor und Läufer zurück. Durch von dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch übertragene Energie wird der Läufer in eine Rotationsbewegung versetzt und erzeugt eine sich radial nach außen bewegende Druckwelle. Außerdem wird oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche eine schichtförmige Flüssigkeitsschürze aus den Schaufelblättern des Läufers herausgedrückt wird, welche die von den Schaufelblättern bewegte Flüssigkeit überstreicht, diese zerfurcht und Grenzflächen erzeugt, welche in die Flüssigkeit hineingetragen werden.

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 zusätzlich auf den Rotor wirkende Rückstellkraft, 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, in 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 weitergestaltend wird bei der Rotation des Läufers die Flüssigkeit zwischen den konzentrisch angeordneten Schaufelblätterkränzen im Bereich der jeweilig sich radial gegenüberliegenden 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 Umfangsgeschwindigkeit 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 Bewegungsenergie auf die Schaufelblätter übertragend, den Läufer in eine im flüssigen Medium verlaufende Rotation versetzt. Die Rotationsbewegung wird erzeugt, wenn die Schaufelblätter 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 zurückschlagen 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 Energieaufwand 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 entgegengesetzt der Drehrichtung des Läufers in einer An Rückstoss beschleunigt. Die erfindungsgemäße 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 Anwendung 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 Flüssigkeiten 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 Schaufelblätter 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 Berücksichtigung 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:
1: Die Vorrichtung in einer schematischen Darstellung, teilweise im Schnitt mit zugeordnetem Verdichter und Belüftern.
2: Den Läufer mit Schaufeln in einer Untersicht.
3: Die Vorrichtung nach 1 mit einem Läufer, dem zwei Schaufelblätterkränze zugeordnet sind.
4: Eine Ansicht gemäß 2.
5: Das Segment a aus 4.
6: Das Segment a aus 4 um 180° gedreht mit angeordnetem Leitblech.
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 Flüssigkeitsoberfläche 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 Zentrifugalkraft außen bewegt bzw. fließt in die Flüssigkeit zurück.
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. 3 zeigt eine Ausbildung der Vorrichtung, die grundsätzlich mit der 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 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 An und Weise wie in 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 Schaufelblätter 6 und dadurch eine höhere Pulsation des Druckes in die Flüssigkeit eintragen. Durch die radial erstreckte Anordnung der Schaufelblätter 7 ist eine ganzflächige Druckausrichtung 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 3 halbseitig eingezeichnet, ein Leitblech 22 vorgesehen, welches den Läufer 2 ringförmig umschließt.
4 zeigt eine der 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 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 Flüssigkeitsschürze 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 6 noch näher erläutert.
5 zeigt den Sektor a aus 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.
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 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 Flüssigkeitsoberfläche 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

Claims

Verfahren zum Eintragen von Gasen in flüssige Medien, vorzugsweise Abwässer bei dem ein zentrisch gelagerter Rotor, welcher von einem unabhängig drehbaren Läufer mit Schaufelblättern konzentrisch umgeben ist, motorisch getrieben im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche bewegt und dabei ein von dem Rotor erzeugtes, Tropfenform aufweisendes Flüssigkeits-Gas-Gemisch radial durch einen, zwischen dem Rotor und dem Läufer mit einem ringförmigen Abstand, gleichmäßig ausgeformten Zwischenraum auf die teilweise in die Flüssigkeit eintauchenden Schaufelblätter des Läufers bewegt wird, wo es seine Bewegungsenergie nahezu vollständig, ohne eine zusätzliche auf den Rotor einwirkende Rückstellkraft hervorzurufen, auf den Läufer überträgt und seine Tropfenform verlierend, wieder in den Zwischenraum zurückfällt, wobei von dem durch das auftreffende Flüssigkeits-Gas-Gemisch in eine Rotationsbewegung versetzten Läufer eine sich radial nach außen bewegende Druckwelle erzeugt wird und oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche eine schichtförmige Flüssigkeitsschürze aus den Schaufelblättern des Läufers herausgedrückt wird, welche die von den Schaufelblättern bewegte Flüssigkeit überstreicht, diese zerfurcht und Grenzflächen erzeugt, welche, von dieser aufgenommen, in die Flüssigkeit hineingetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 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.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Läufer erzeugter, von dem flüssigen Medium nicht aufzunehmender Energieüberschuss mittels kraft- oder formschlüssiger Verbindungen auf peripher vorgesehene Teilaggregate übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, 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 Schaufelblätter 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 umgebend Flüssigkeitsoberfläche gehoben wird und durch die partiell auftreffenden Teile in der Flüssigkeitsoberfläche radial verlaufende Furchen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, 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.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–5, 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 zum 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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) in einem vom getriebenen Rotor (1) rotatorisch unabhängigen Loslager (5) konzentrisch gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 9 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.
Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2), die Schaufelblätter (6) kranzförmig umgebend, zu den Schaufeln (6) vertikal gleichgerichtete, in einem Kranz verlaufende Schaufelblätter (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (7) eine größere axiale Erstreckung und Eintauchtiefe (T) sowie breiter dimensionierte Aktionsflächen aufweisen als die Schaufeln (6).
Vorrichtung nach Anspruch 6 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.
Vorrichtung nach Anspruch 6 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 Flüssigkeitsoberfläche (12) gerichtete Unterkante aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante des ringförmigen Leitbleches (22) einen Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (22) zylindrisch ausgebildet, vertikal gegen die Flüssigkeitsoberfläche (12) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (22) an seiner Unterkante einen größeren Durchmesser aufweist als der am Läufer (2) anliegende Bereich.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) mit einer Abtriebsvorrichtung (13) zur Übertragung von Energie verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebsvorrichtung (13) ein Riementrieb ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 und 18 oder 6 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abtriebsvorrichtung (13) ein damit angetriebener Verdichter (14) verbunden ist.