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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begasung einer Flüssigkeit
mit einem Gaszuführungskanal
und zumindest einer an den Gaszuführungskanal angeschlossenen
Gaslanze, aus der im Begasungsbetrieb ein Gasstrom austritt. Die
Vorrichtung soll insbesondere für
im Tauchbetrieb eingesetzte Membrananlagen geeignet sein, wobei
die aufsteigenden Gasblasen der Spülung der Membranen dienen.
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Zur
Begasung von im Tauchbetrieb verwendeten Membrananlagen werden in
der Praxis Begasungsvorrichtungen eingesetzt, die einen Gaszuführungskanal
und mehrere von dem Gaszuführungskanal
abzweigende Gaslanzen aufweist. Der Gaszuführungskanal ist im Wesentlichen
horizontal ausgerichtet. Die Gaslanzen münden in den Gasraum des Gaszuführungskanals
und erstrecken sich vertikal nach oben. Die Gaslanzen werden von
der zu begasenden Flüssigkeit
umgeben. Eine solche Begasungsvorrichtung ist aus der Druckschrift
WO 97/06880 bekannt, wobei
die Gaslanzen mit einem oberen offenen Ende in die zu begasende
Flüssigkeit und
mit einem unteren, abgeschrägten
Ende in den Gaszuführungskanal
hineinragen. Zwischen den Begasungsintervallen kann Flüssigkeit
ungehindert in den Gaszuführungskanal
eindringen, wobei sich in den Gaslanzen Ablagerungen bilden können. Bereits bei
geringen Querschnittsänderungen
einzelner Gaslanzen durch Ablagerungen treten in den einzelnen Gaslanzen
unterschiedliche Druckverluste auf, so dass ein ungleichmäßiges Blasen
verschiedener Gaslanzen beobachtet wird.
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Um
zu vermeiden, dass zwischen Begasungsintervallen Flüssigkeit
in die Gaslanzen eintritt und der Gasraum des Gaszuführungskanals
geflutet wird, ist aus der Druckschrift
DE 203 00 546 U1 bekannt,
auf dem vorstehenden Ende der Gaslanzen eine Kappe angeordnet, die
einen Endabschnitt der Gaslanzen ringförmig umgibt. Bei der Begasung durchströmt Luft
den ringförmigen
Raum zwischen Kappe und Gaslanze von oben nach unten und tritt aus
dem unteren Ende des Ringspaltes aus. Im Betrieb kann auf Dauer
die Gefahr bestehen, dass der Ringspalt durch Verschmutzungen oder
Ausbildung eine Biofilmes sich teilweise oder ganz zusetzt. Die parallel
geschalteten Gaslanzen werden aufgrund der unterschiedlichen Strömungswiderstände in den Gaslanzen
nicht gleichmäßig durchströmt. Insbesondere,
wenn mit einem geringen Gasmengenstrom gearbeitet wird, ist die
Begasung instabil und ungleichmäßig. Wasser,
welches nach einer Druckabsenkung im System durch die Gaslanzen
in den Gaszuführungskanal
eindringt, lässt
sich nur schlecht aus dem Gasraum wieder entfernen. Im Gasraum des
Systems verbleiben Rückstände, die
auf Dauer den Betrieb der Begasungsvorrichtung beeinträchtigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Begasungsvorrichtung
anzugeben, die auch mit einem kleinen Gasmengenstrom einen stabilen
Betrieb ermöglicht
und bei der insbesondere auch eine gleichmäßige Beaufschlagung von parallel
angeordneten Gaslanzen ermöglicht
wird. Die Begasungsvorrichtung soll ferner wartungsfreundlich sein.
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Ausgehend
von einer Vorrichtung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Gaslanze über
mindestens einen Verbindungskanal an den Gaszuführungskanal angeschlossen ist,
wobei der Verbindungskanal als Drossel einen Strömungsverlust des in die Gaslanze
eintretenden Gasstromes erzeugt, und wobei ein erster Mündungsbereich
des Verbindungskanals der Gaslanze und ein zweiter Mündungsbereich
des Verbindungskanals dem Gaszuführungskanal
zugeordnet ist, und dass unterhalb des ersten Mündungsbereiches ein Verlängerungsabschnitt
vorgesehen ist, der an die Gaslanze anschließt und unterhalb des ersten
Mündungsbereiches
eine Öffnung
aufweist.
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Der
in der zu begasenden Flüssigkeit
herrschende Druck wirkt sowohl über
eine Gasaustrittsöffnung
am oberen Ende der Gaslanze als auch über die unterseitige Öffnung des
Verlängerungsabschnittes
auf den von der Gaslanze und Verlängerungsabschnitt umschlossenen
Raum, wobei der Druck an der unteren Öffnung des Verlängerungsabschnittes aufgrund
der Höhe
der die Vorrichtung umgebenden Flüssigkeitssäule größer ist als am oberen Ende
der Gaslanze. Beim Betrieb der Begasungsvorrichtung dient die unterseitige Öffnung als
Druckausgleich und bestimmt die Druckverhältnisse in der Gaslanze, wobei
die Drosselwirkung des Verbindungskanals ein gleichmäßiges Strömen des
zugeführten
Gases gewährleistet.
Um eine klar definierte Drosselwirkung zu gewährleisten, ist jeder Verbindungskanal
stets nur an eine Gaslanze angeschlossen, wobei jedoch ohne Einschränkung eine
Gaslanze über
mehrere Verbindungskanäle
an den Gaszuführungskanal
angeschlossen sein kann. Insbesondere bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
die mehrere Gaslanzen in der beschriebenen Ausgestaltung aufweisen, gewährleisten
einerseits die Drosselwirkung der Verbindungskanäle und andererseits der Druckausgleich
durch die Öffnungen
der Verlängerungsabschnitte
eine gleichmäßige Aufteilung
des gesamten Gasstroms auf die einzelnen Gaslanzen und ein gleichmäßiges Blasen
der Gaslanzen.
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Die
Drosselwirkung des Verbindungskanals, die einen Strömungsverlust
des in die Gaslanze eintretenden Gasstroms erzeugt, kann im Rahmen
der Erfindung dadurch erreicht werden, dass der Verbindungskanal
eine Drosselstelle, beispielsweise in Form einer Verjüngung oder
einer Düsenöffnung, aufweist.
Alternativ kann der Verbindungskanal auch über seine Länge einen Querschnitt aufweisen,
der geringer ist als der Querschnitt der Gaslanze und einen Strömungsdruckverlust
des in die Gaslanze eintretenden Gasstromes erzeugt. Ohne Einschränkung kann
die zumindest eine Gaslanze über
mehrere oder lediglich einen Verbindungskanal an den Gaszuführungskanal
angeschlossen sein, wobei ein Verbindungskanal auch mehrere parallele
Verjüngungen oder Düsenaustrittsöffnungen
aufweisen kann. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung,
bei der in dem Verbindungskanal lediglich ein Strömungsweg
vorgesehen ist, da bei einer solchen Ausgestaltung bei einer vorgegebenen
Drosselwirkung ein vergleichsweise großer Strömungsquerschnitt innerhalb
des Verbindungskanals möglich
ist und dadurch die Gefahr einer Verstopfung des Verbindungskanals
durch Ablagerungen reduziert wird.
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Der
Verbindungskanal ist mit einem ersten Mündungsbereich an die Gaslanze
und mit einem zweiten Mündungsbereich
an den Gaszuführungskanal
angeschlossen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
ist der erste Mündungsbereich
unterhalb des zweiten Mündungsbereiches
angeordnet, so dass sich der Verbindungskanal ausgehend von dem
Anschluss an den Gaszuführungskanal
schräg oder
gerade nach unten erstreckt. Bei der Inbetriebnahme der Begasungsvorrichtung
wird dabei gewährleistet,
dass in den Gaszuführungskanal
eingedrungene Flüssigkeit
bis auf die Höhe
des zweiten Mündungsbereiches
aus dem Gaszuführungskanal entfernt
wird. Besonders bevorzugt ist der zweite Mündungsbereich im Boden des
Gaszuführungskanals
angeordnet, so dass bei der Inbetriebnahme der Begasungsvorrichtung
stets eine vollständige
Rückstandsentleerung
des gesamten Gaszuführungskanals
erfolgt.
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Bei
der Inbetriebnahme einer im Tauchbetrieb arbeitenden erfindungsgemäßen Vorrichtung muss
zumindest Flüssigkeit
durch Beaufschlagung mit Gas aus dem Gaszuführungskanal, dem Verbindungskanal,
dem Verlängerungsabschnitt
und der Gaslanze verdrängt
werden. Die Flüssigkeit
verlässt die
Vorrichtung teilweise durch die Öffnung
des Verbindungskanals und teilweise durch die oberseitig offene
Gaslanze. Nach der Entleerung des Gasraumes strömt das Gas anschließend durch
die Gaslanzen ab. Dies ist der normale Betriebszustand. Bei parallel angeordneten
Gaslanzen der Begasungsvorrichtung stellen sich gleich große Gasströme ein.
Die Öffnungen
der Verlängerungsabschnitte
leisten einen wesentlichen Beitrag, dass die parallel zueinander
angeordneten Gaslanzen gleichmäßig durchströmt werden,
denn durch die Öffnungen
wird gewährleistet,
dass sich jeweils in Strömungsrichtung
hinter dem als Drossel ausgelegten Verbindungskanal definierte Druckverhältnisse
einstellen.
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In
einem bevorzugten Betriebsmodus der Begasungsvorrichtung wird der
gesamte Gasstrom durch die zumindest eine Gaslanze nach oben geleitet,
wobei aufgrund des Strömungswiderstandes
in der Gaslanze in dem Verlängerungsabschnitt
ein Druckpolster gebildet wird. Wird eine geringe Gasmenge durch
die Gaslanzen gefördert,
kann Flüssigkeit
durch die Öffnung
des Verbindungsabschnittes eintreten, die in der Gaslanze mit dem
Gasstrom nach oben gefördert
wird. Es wird dabei eine Pumpwirkung beobachtet, die typischerweise
mit abnehmender Gasflussrate zunimmt und die den Spülprozess
der Gasblasen unterstützen
kann.
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Wird
ausgehend von dem bevorzugten Betriebsmodus der Druck im Gaszuführungskanal
und damit die durch die Gaslanzen fließende Gasmenge erhöht, dehnt
sich das Druckpolster in dem Verlängerungsabschnitt aus, bis
schließlich
auch ein Teil des Gasstromes durch die Öffnung des Verlängerungsabschnittes
nach unten entweicht. Der zusätzliche
an der Unterseite der Begasungsvorrichtung austretende Gasstrom
kann ebenfalls zur zielgerichteten Begasung der Flüssigkeit
genutzt werden. Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise
in einer Membrananlage eingesetzt, wobei Membranbündel um
die Gaslanze angeordnet sind, ermöglicht der zusätzliche,
an der Unterseite der Vorrichtung austretende Gasstrom in besonders
vorteilhafter Weise eine zusätzliche
Reinigung an der äußeren Peripherie
und in Randzonen der Membranfaserbündel.
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Die
Begasungsvorrichtung kann intermittierend betrieben werden. Bei
einem intermittierenden Betrieb wechseln sich Begasungsintervalle,
in denen im bevorzugten Betriebsmodus mit einem großen Gas-
oder Luftstrom gearbeitet wird, mit Intervallen ab, in denen der
Gasstrom so weit gedrosselt wird, dass der Druck im Gaszuführungskanal
bestehen bleibt, aber nur eine sehr geringe oder gar keine Gasmenge
durch die zumindest eine Gaslanze entweicht. Optional kann in dem
intermittierenden Betrieb auch – wie
zuvor beschrieben – bei
einem sehr großen
Gas- oder Luftstrom ein zusätzlicher
Gasstrom an der Unterseite der Begasungsvorrichtung erzeugt werden.
Wird die Begasungsvorrichtung während
des intermittierenden Betriebes mit einem geringen Gasstrom betrieben,
wird die zumindest eine Gaslanze von der umgebenden Flüssigkeit
geflutet. Es stellt sich eine Flüssigkeitssäule in der
Gaslanze ein, die bis zum Verbindungskanal reicht, aber aufgrund
des im Zuführungskanal
herrschenden höheren
Drucks nicht durch den Verbindungskanal in den Gaszuführungskanal übertritt.
Wenn der Gaszuführungskanal
dann wieder mit einem großen
Gasstrom beaufschlagt wird, wird die Flüssigkeit aus der Gaslanze verdrängt, wobei
ein Luftstoß zunächst durch
die Öffnung
des Verlängerungsabschnittes entweicht
und ein Teil des Gasstroms durch die Gaslanze nach oben abströmt. Sobald
die Flüssigkeit
aus der Gaslanze verdrängt
ist, stellt sich der bevorzugte Betriebsmoduls ein, bei dem der
gesamte Gasstrom durch die Gaslanze abströmt. Im Vergleich zu der eingangs
beschriebenen bekannten Anordnung ist der Druckverlust des Gesamtsystems
deutlich geringer. Ferner ist der Regelbereich des Gasstromes größer. Auch
bei einem kleinen Gasmengenstrom ist eine gleichmäßige Beströmung der
Gaslanze bzw. der Gaslanzen gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vorrichtung derart
ausgestaltet werden kann, dass mit der Inbetriebnahme der Vorrichtung
Flüssigkeit
aus dem Gaszuführungskanal rückstandsfrei
entfernt werden kann. Insbesondere wird bei der bevorzugten Ausgestaltung
der Vorrichtung mit mehreren Gaslanzen eine gleichmäßige Durchströmung aller
Gaslanzen im Begasungsbetrieb gewährleistet.
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Es
ergeben sich eine Vielzahl von Möglichkeiten
für die
weitere konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
So kann der Verbindungsabschnitt unmittelbar oder auch über einen Spalt,
beispielsweise einen Ringspalt als Drosselstelle an die Gaslanze
anschließen.
Im Rahmen einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung geht
der Verbindungsabschnitt kontinuierlich in die Gaslanze über, wobei
der Verbindungsabschnitt und die Gaslanze den gleichen Querschnitt
aufweisen. In einer besonders einfachen Weiterbildung dieser Ausgestaltung
sind die Gaslanze und der Verlängerungsabschnitt
als Abschnitte eines Rohres ausgebildet, wobei sich die Gaslanze
oberhalb und der Verlängerungsabschnitt
unterhalb des Verbindungskanals erstrecken. Das Rohr weist dabei
vorzugsweise einen runden Querschnitt auf und kann zylindrisch oder
abschnittsweise konisch geformt sein. Bei einer geraden Ausgestaltung
des Rohres kann dieses auch im montierten Zustand auf besonders
einfache Weise, beispielsweise mit einer Bürste oder einem Druckstrahl,
gereinigt werden.
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Im
Rahmen einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass der Gaszuführungskanal
im Bereich der zumindest einen Gaslanze einen mantelseitig angeordneten
Stutzen aufweist und dass im Stutzen ein Deckel angeordnet ist,
der unterseitig offen ist und den Verlängerungsabschnitt bildet. Der
Deckel kann dabei in den Stutzen eingesetzt sein, wobei der Verbindungskanal
vorzugsweise in dem Deckel gebildet ist. Alternativ kann der Deckel
auch auf den Stutzen aufgesetzt sein. Dabei erstreckt sich die zumindest
eine Gaslanze vorzugsweise bis in einen Aufnahmeraum des Stutzens,
wobei der Verbindungskanal an dem in den Aufnahmeraum eintauchenden
Ende der Gaslanze eine Drosselstelle aufweist. Ausgehend von einer
solchen Ausgestaltung ergibt sich eine Vielzahl von vorteilhaften
konstruktiven Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Eine
erste Weiterbildung sieht vor, dass der Deckel Innenflächen aufweist,
die das Ende der Gaslanze mit einem Ringspalt umgeben, welcher die Drosselstelle
bildet. Der Deckel weist vorzugsweise ferner eine Vertiefung auf,
die dem Ende der Gaslanze gegenüberliegt
und einen Strömungsberuhigungsraum
des Verlängerungsabschnitts
bildet. Die deckelseitige Öffnung
mündet
in den Strömungsberuhigungsraum
ein.
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Eine
alternative Weiterbildung sieht vor, dass in einem von dem Stutzen
und der Gaslanze begrenzten Ringraum ein aus zwei Ventilkörpern bestehendes
Drosselventil angeordnet ist, wobei der erste Ventilkörper auf
dem Ende der Gaslanze angeordnet ist und den Ringraum zwischen der
Gaslanze und dem Stutzen überbrückt sowie
Gasdurchtrittsöffnungen
aufweist. Der zweite Ventilkörper
weist einen mit den Gasdurchtrittsöffnungen zusammenwirkenden Ventilsitz
auf und ist in einem Raum zwischen dem Deckel und dem ersten Ventilkörper angeordnet.
Der zweite Ventilkörper
weist ferner zweckmäßig einen Durchlass
auf, der hinter der Drosselstelle einen Strömungsberuhigungsraum des Verlängerungsabschnitts
bildet und mit der Öffnung
im Deckel fluchtet. Der Ventilsitz kann als konische oder konkave
Sitzfläche
ausgebildet sein. Der erste Ventilkörper kann axiale Bohrungen
enthalten, die in einen das Ende der Gaslanze ringförmig umgebenen
Strömungsraum mündet. Der
Strömungsraum
und die Sitzfläche
des zweiten Ventilkörpers
bilden einen definierten Drosselspalt. Die beiden Ventilkörper sind
zweckmäßig miteinander
verbunden. Bei einer Schraubverbindung besteht beispielsweise die
Möglichkeit
die Breite des Drosselspaltes zwischen den beiden Ventilkörpern einzustellen.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass der zweite Ventilkörper ein
Einlegeteil ist, welches mit dem Deckel gegen den ersten Ventilkörper verspannt
wird. Der erste Ventilkörper
kann einen düsenförmig sich
verengenden Gaseinlass für
das in die Lanze einströmende
Gas aufweisen.
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Die
in dem Deckel angeordnete bodenseitige Öffnung des Verlängerungsabschnittes
weist zweckmäßig einen
Querschnitt auf, der den 0,5- bis 2-fachen des Strömungsquerschnittes
der Gaslanze entspricht. Vorzugsweise entsprechen sich die Querschnitte
der Öffnung
und des Strömungsquerschnittes
der Gaslanze im Wesentlichen.
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Vorzugsweise
endet die Gaslanze an ihrem von dem Gaszuführungskanal abstehenden Ende ohne
Kappe und ohne Einschnürung
frei in der zu begasenden Flüssigkeit.
Im Rahmen der Erfindung liegt es selbstverständlich auch, dass die Gaslanze
zusätzlich
mit mantelseitigen Öffnungen
versehen ist. Ferner kann es vorteilhaft sein, das gasaustrittseitige Ende
der Gaslanze mit einer diffusorartigen Aufweitung des Strömungsquerschnittes
auszubilden.
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Die
beschriebene Begasungsvorrichtung ist insbesondere für Membrananlagen
bestimmt, die im Tauchbetrieb eingesetzt werden. Bei Verwendung
in einer Membrananlage ist die zumindest eine Gaslanze vorzugsweise
von einem Bündel
aus Hohlfasermembranen umgeben, die mit einem offenen Ende in ein
Kopfstück
eingegossen sind und in einen von dem Gaszuführungskanal getrennten Permeatsammelraum
münden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist vorzugsweise mehrere an den Gaszuführungskanal angeschlossene
Gaslanzen auf, die jeweils wie zuvor beschrieben ausgeführt sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung
aus einzelnen Segmenten mit jeweils einer Gaslanze zusammengesetzt,
wobei die einzelnen Segmente jeweils wie zuvor beschrieben ausgeführt sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert.
Es zeigen schematisch:
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1a bis 1g Ausschnitte
alternativer Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Begasungsvorrichtung in
einer Schnittdarstellung,
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2 bis 4 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Begasungsvorrichtung
während des
Betriebs in unterschiedlichen Betriebszuständen,
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5 einen
Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer gegenüber
den 2 bis 4 vergrößerten Darstellung,
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6 eine
weitere Ausgestaltung des in 4 dargestellten
Gegenstandes,
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7a bis 7c unterschiedliche
Ausgestaltungen des in 6 dargestellten Gegenstandes,
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8 die
Verwendung der Begasungsvorrichtung in einem Membranmodul für eine im
Tauchbetrieb eingesetzte Membrananlage.
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9 alternative Ausgestaltungen der Begasungsvorrichtung
in einem Membranmodul,
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10 Diagramm
bezüglich
der Pumpwirkung einer erfindungsgemäßen Begasungsvorrichtung bei
einem geringen Gasstrom.
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1a bis 1g zeigen
Ausschnitte alternativer Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Begasung einer Flüssigkeit 1 mit
einem Gaszuführungskanal 2 und
zumindest einer an den Gaszuführungskanal 2 angeschlossenen
Gaslanze 3 aus der im Begasungsbetrieb ein Gasstrom austritt.
Die gesamte Vorrichtung weist vorzugsweise weitere nicht dargestellte
Gaslanzen 3 auf, die entsprechend ausgeführt sind.
Die Gaslanze 3 erstreckt sich vertikal nach oben und weist
ein vom Gaszuführungskanal 2 abstehendes
offenes Ende 4 ohne Einschnürung und ohne Kappe auf. Die
Gaslanze 3 ist über
einen Verbindungskanal 5 an den Gaszuführungskanal 2 angeschlossen,
wobei der Verbindungskanal 5 als Drossel einen Strömungsdruckverlust
des in die Gaslanze 3 eintretenden Gasstromes erzeugt und
wobei an den Verbindungskanal 5 stets nur eine Gaslanze 3 angeschlossen
ist. Der Verbindungskanal 5 ist mit einem ersten Mündungsbereich 8 an
die Gaslanze 3 und mit einem zweiten Mündungsbereich 8' an den Gaszuführungskanal 2 angeschlossen,
wobei sich ausgehend von dem ersten Mündungsbereich 8 die
Gaslanze 3 nach oben und ein Verlängerungsabschnitt 6 nach
unten erstreckt. Der an die Gaslanze 3 anschließende Verlängerungsabschnitt 6 weist
unterhalb des ersten Mündungsbereiches 8 eine Öffnung 7 auf.
In den Ausführungen
gemäß 1a und 1b ist
der erste Mündungsbereich 8 unterhalb
des zweiten Mündungsbereiches 8' angeordnet.
Bei der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird so gewährleistet,
dass die Flüssigkeit 1,
die sich in dem Gaszuführungskanal 2 angesammelt
hat, zunächst
vollständig entfernt
wird. Bei der Ausgestaltung gemäß der 1c ragt
der Verbindungskanal 5 in den Gaszuführungskanal 2 hinein,
wobei der zweite Mündungsbereich 8' oberhalb des
Bodens des Gaszuführungskanals 2 angeordnet
ist. Sofern sich Flüssigkeit 1 in dem
Gaszuführungskanal 2 angesammelt
hat, verbleibt auch bei dem Betrieb unterhalb des zweiten Mündungsbereiches 8' Flüssigkeit 1 in
dem Gaszuführungskanal 2.
In vorteilhafter Weise kann so vermieden werden, dass Verunreinigungen,
die sich am Boden des Gaszuführungskanals 2 angesammelt
haben, in den Verbindungskanal 5 gelangen. Die 1d zeigt
eine Ausgestaltung, bei der der Verbindungskanal 5 an der
Oberseite des Gaszuführungskanals
mit seinem zweiten Mündungsbereich 8' anschließt und schräg nach oben
zu dem ersten Mündungsbereich 8 führt, wobei
sowohl die Gaslanze 3 als auch der Verlängerungsabschnitt 6 oberhalb
des Zuführungskanals 2 angeordnet
sind. Bei der Ausgestaltung gemäß der 1e ragt
der Verbindungskanal von oben in den Gaszuführungskanal 2 ein.
Ist der Gaszuführungskanal 2 bei
der Inbetriebnahme vollständig
mit Flüssigkeit 1 gefüllt, so
wird diese zunächst
bis zu der Höhe
des zweiten Mündungsbereiches 8' aus dem Gaszuführungskanal 2 entfernt,
wobei nachfolgend bei einer Anordnung mit mehreren Gaslanzen die
Begasung an allen Gaslanzen 3 praktisch gleichzeitig einsetzt.
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Wie 1f und 1g zu
entnehmen ist, kann der Verbindungskanal 5 auch einen abgewinkelten
oder gebogenen Verlauf aufweisen. So ist bei der 1g bei
der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine vollständige Entfernung
von angesammelter Flüssigkeit 1 gewährleistet,
obwohl die Gaslanze 3, der Verlängerungsabschnitt 6 und der
erste Mündungsbereich 8 oberhalb
des Gaszuführungskanals 2 angeordnet
sind.
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Während bei
der Ausgestaltung gemäß der 1a in
dem Verbindungskanal eine Drosselstelle 9 vorgesehen ist,
weist der in 1b dargestellte Verbindungskanal 5 über seine
Länge einen
Querschnitt auf, der geringer ist als der Querschnitt der Gaslanze 3 und
der einen Strömungsdruckverlust des
in die Gaslanze 3 eintretenden Gasstromes erzeugt. Bei
der Ausgestaltung gemäß 1b sind
die Gaslanze 3 und der Verlängerungsabschnitt 6 als
Abschnitte eines geraden Rohres ausgebildet, wobei sich die Gaslanze 3 ausgehend
von dem Verbindungskanal 5 nach oben und der Verlängerungsabschnitt 6 nach
unten erstreckt. Der Verlängerungsabschnitt 6 geht
kontinuierlich in die Gaslanze 3 über, wobei der Verlängerungsabschnitt 6 und
Gaslanze 3 den gleichen Querschnitt aufweisen, so dass
die dargestellte Ausführung,
auch im eingebauten Zustand, beispielsweise mit einer Bürste oder
einem Druckstrahl leicht zu reinigen ist.
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Die
in den 2 bis 9c dargestellten Vorrichtungen
dienen zur Begasung einer Flüssigkeit 1.
Zum grundsätzlichen
Aufbau der Vorrichtung gehören
ein Gaszuführungskanal 2 und
mehrere an den Gaszuführungskanal 2 angeschlossene
Gaslanzen 3, aus denen im Begasungsbetrieb gleichzeitig
Gasströme
austreten. Die Vorrichtung ist in eine Flüssigkeit 1 abgesenkt,
wobei der Gaszuführungskanal 2 im
Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Die Gaslanzen 3 erstrecken
sich vertikal nach oben und enden an ihren von dem Gaszuführungskanal 2 abstehenden
Ende 4 ohne Kappe frei in der zu begasenden Flüssigkeit 1.
Der Gaszuführungskanal 2 weist mantelseitig
angeordnete Stutzen 10 auf, die endseitig von einem Deckel 11 verschlossen
sind, wobei der Deckel 11 den Verlängerungsabschnitt 6 aufnimmt. Die
Gaslanzen 3 erstrecken sich bis in einen Aufnahmeraum 12 der
Stutzen 10, wobei an dem in den Aufnahmeraum eintauchenden
Ende der Gaslanzen 3 in dem Verbindungskanal 5 eine
Drosselstelle 9 vorgesehen ist, die einen Strömungsdruckverlust
des in die Gaslanze 3 eintretenden Gasstromes erzeugt.
Den Darstellungen in den 2 bis 9c entnimmt
man ferner, dass in den auf den Stutzen 10 angeordneten bzw.
in die Stutzen 10 eingesetzten Deckeln 11 jeweils
die Öffnung 7 vorgesehen
ist, die in den Strömungsraum 14 des
Verlängerungsabschnittes 6 hinter
der Drosselstelle 9 mündet.
Die Deckel 11 sind lösbar
mit dem Stutzen 10 verbunden. Nach Abnahme der Deckel 11 sind
die Drosselstellen 9 zugänglich und die Gaslanzen 3 können leicht
gereinigt werden. Eine Reinigung ist üblicherweise aber auch durch
die Öffnung 7 hindurch
möglich.
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Die 2 zeigt
die Inbetriebnahme der Vorrichtung, nachdem sie in die zu begasende
Flüssigkeit 1 abgesenkt
worden ist. Der Gaszuführungskanal 2 enthält Flüssigkeit 1', die durch
die oben offenen Gaslanzen 3 in den Gasraum eingedrungen
ist. Der Gaszuführungskanal 2 wird
nunmehr mit Druck beaufschlagt und es wird ein Gasstrom zugeführt. Der
unter Druck zugeführte
Gas- oder Luftstrom verdrängt
die Flüssigkeit 1' aus dem Gaszuführungskanal 2.
Die Flüssig keit 1' strömt in die
unterseitigen Stutzen 10 und verlässt die Vorrichtung durch die Öffnungen 7 und
die oben offenen Gaslanzen 3.
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Wenn
die Flüssigkeit 1' aus dem Aufnahmeraum 12 der
Stutzen 10 verdrängt
ist, stellt sich kurzzeitig der in 3 dargestellte
Betriebszustand ein. Der Gasstrom durchströmt die Drosselstelle 9 und verdrängt die
Flüssigkeitssäule 15 innerhalb
der Gaslanzen 3. Ein Teil des Gasstromes tritt in Form
eines kurzzeitigen Impulses durch die deckelseitigen Öffnungen 7 aus.
Sobald die Flüssigkeitssäule 15 aus
den Gaslanzen 3 verdrängt
ist, stellt sich der in 4 dargestellte Betriebszustand
ein. Der gesamte Gasstrom strömt
durch die Gaslanzen 3 nach oben, wobei sich in den Gaslanzen 3 mengenmäßig gleiche Gasströme einstellen.
An den unterseitigen Öffnungen 7 der
Deckel 6 tritt in dem dargestellten Betriebsmodus kein
Gas aus, da der Flüssigkeitsdruck
an den deckelseitigen Öffnungen 7 größer ist
als der Flüssigkeitsdruck
an dem oberen, auslassseitigen abstehenden Ende 4 der Gaslanzen 3.
Durch die deckelseitigen Öffnungen 7 stellen
sich definierte und gleiche Druckverhältnisse in allen Gaslanzen 3 ein,
was zur Folge hat, dass die Durchströmung der parallel angeordneten
Gaslanzen 3 mit gleichen Gasmengenströmen erfolgt.
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Die
Deckel 11 sind als Kappen oder Einsätze ausgebildet und lösbar, beispielsweise
durch eine Schraubverbindung 16 mit den Stutzen 10 verbunden.
Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
weisen die Deckel 11 Innenflächen 17 auf, die das
Ende 13 der Gaslanzen 3 mit einem Ringspalt 18 umgeben,
welche die Drosselstelle 9 bildet. Die Deckel 11 weisen
ferner jeweils eine Vertiefung auf, die dem Ende 13 der
Gaslanzen 3 gegenüberliegt
und einen Strömungsberuhigungsraum 19 bildet.
Die deckelseitige Öffnung 7 mündet in
den Strömungsberuhigungsraum 19.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 6 ist in dem jeweils von einem Stutzen 10 und
einer Gaslanze 3 begrenzten Ringraum ein aus zwei Ventilkörpern 20, 21 bestehendes
Drosselventil 22 angeordnet. Der erste Ventilkörper 20 ist
auf dem Ende 13 der Gaslanze 3 angeordnet, überbrückt den
Ringraum zwischen der Gaslanze 3 und dem Stutzen 10 und weist
Gasdurchtrittsöffnungen 23 auf.
Der zweite Ventilkörper 21 weist
einen mit den Gasdurchtrittsöffnungen 23 zusammenwirkenden
Ventilsitz 24 auf und ist in einem Raum zwischen dem Deckel 11 und dem
ersten Ventilkörper 20 angeordnet.
Der zweite Ventilkörper 21 enthält einen
Durchlass, der hinter der Drosselstelle 9 einen Strömungsberuhigungsraum 19 bildet.
Der 6 sowie den 7a bis 7c entnimmt
man, dass der Ventilsitz 24 als konische oder konkave Sitzfläche ausgebildet
sein kann. Der erste Ventilkörper 20 weist
mehrere, am Umfang verteilte axiale Bohrungen als Gasdurchtrittsöffnungen 23 auf,
die in einen das Ende 13 der Gaslanze 3 ringförmig umgebenen
Strömungsraum 14 münden. Der
Strömungsraum 14 bildet
mit der Sitzfläche
des zweiten Ventilkörpers 21 eine
Drosselstelle 9. Der erste Ventilkörper 20 kann ferner
einen düsenförmig sich
verengenden Gaseinlass 25 für das in die Gaslanze 3 einströmende Gas
aufweisen. In den Ausführungsbeispielen
der 7c fluchtet der Durchlass des zweiten Ventilkörpers 21,
der hinter der Drosselstelle 9 einen Strömungsberuhigungsraum 19 bildet,
mit der Öffnung 7 im
Deckel 11.
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Die
in den Deckeln 11 angeordneten Öffnungen 7 der Verlängerungsabschnitte 6 weisen
einen Querschnitt auf, der vorzugsweise dem 0,5- bis 2-fachen des
Strömungsquerschnittes
der Gaslanzen 3 entspricht. In den Ausführungsbeispielen ist der Querschnitt
der deckelseitigen Öffnungen 7 und
der Strömungsquerschnitt
der Gaslanzen 3 etwa gleichgroß.
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Das
austrittseitige, abstehende Ende 4 der Gaslanzen 3 weist
in den Ausführungsbeispielen
der 2 bis 8 gemäß einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung eine diffusorartige Erweiterung 26 auf.
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Die
Begasungsvorrichtung ist für
Membrananlagen geeignet, die im Tauchbetrieb eingesetzt werden.
Die Membrananlagen können
Membranbündel,
Membranplatten oder andere Membranelemente aufweisen, wobei das
Gas aus der Begasungsvorrichtung am Rand der Membranen oder innerhalb
eines Membranbündels
aufsteigt und dabei die Membranen reinigt. Das austrittseitige,
abstehende Ende 4 der Gaslanzen 3 ist bei der
dargestellten Ausführung von
einem Bündel 27 aus
Hohlfasermembranen umgeben, die mit einem offenen Ende in ein Kopfstück 28 eingegossen
sind und in einen von dem Gaszuführungskanal 2 getrennten
Permeatsammelraum 29 mündet.
Die Einheiten, können,
wie in 8 dargestellt, zu einer Reihe bzw. zu einem Membranmodul 30 zusammengesetzt
werden, in die eine erfindungsgemäß ausgebildete Begasungseinrichtung
integriert ist.
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Die 9a bis 9c zeigen
in einem Ausschnitt alternative Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Begasungsvorrichtung
in einem Membranmodul 30. Bei der Ausführung gemäß 9a ist
der Deckel 11 in den Stutzen 10 eingesetzt und
durch einen Bajonettverschluss 31 fixiert. Der Verbindungskanal 5 ist
in dem Deckel 11 gebildet, so dass der Querschnitt des
Verbindungskanals 5 in besonders vorteilhafter Weise nicht
durch Montageungenauigkeiten verändert
wird. Der von dem Deckel 11 gebildete Verlängerungsabschnitt 6 schließt unmittelbar an
die Gaslanze 3 an, wobei zwischen Gaslanze 3 und
Deckel 11 einerseits und Stutzen 10 und Deckel 11 andererseits
jeweils ein Elastomerdichting 32 vorgesehen ist. Die 9b und 9c zeigen
Ausgestaltungen, bei denen der Deckel 11 auf den Stutzen 10 aufgeschraubt
ist. Während
bei der Ausgestaltung gemäß 9b der
Verbindungskanal 5 im Wesentlichen auch in dem Deckel 11 gebildet
ist, weist die Ausführung
gemäß 9c eine
Drosselstelle 9 zwischen Deckel 11 und Gaslanze 3 auf.
-
Während des
normalen Betriebes der Begasungsvorrichtung bildet sich in dem Verlängerungsabschnitt 6 mit
der Öffnung 7 ein
Druckpolster, welches die Druckverhältnisse in der zugeordneten
Gaslanze 3 bestimmt. Bei kleinen Durchflussraten kann jedoch
Flüssigkeit 1 durch
den Verlängerungsabschnitt 6 in
die Gaslanze 3 eintreten und mit dem Gasstrom durch die
Gaslanze 3 nach oben transportiert werden. Die Pumpwirkung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 10 dargestellt, wobei die Menge
der durch die Vorrichtung geförderten
Flüssigkeit 1 in
Abhängigkeit
der Flussrate des Gasstroms dargestellt ist.