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Stand der Technik
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Biogasanlagen
erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen.
Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess, der Vergärung oder
Faulung durch die Aktivität
von anaeroben Mikroorganismen, d. h. unter Ausschluss von Luft.
Die Art der Organismenstämme
wird im Wesentlichen durch die spezifischen Prozessparameter wie
Temperatur, Substrat, pH-Wert, etc. determiniert. Dadurch wird eine
Anpassung der Mikroorganismen an das jeweilige Substrat erreicht,
die es ermöglicht,
eine Vielzahl organischer Materialien durch Fermentation abzubauen.
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Organisches
Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau,
der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit
der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird.
Neben Biogas, das im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid besteht,
verbleibt in der Prozesskette als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht
abgebautem organischem Material und anorganischen Bestandteilen.
Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige
Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile
sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte
Salze.
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Zentrale
Bauteile einer Biogasanlage sind die Fermentationsbehälter (Fermentoren,
Reaktoren, Nachgärer),
in denen die primären
biologischen Prozesse ablaufen. Als Werkstoffe zum Bau der Fermentoren
werden üblicherweise
Beton oder Stahlplatten (emailliert, beschichtet oder aus Edelstahl)
eingesetzt. Die in einer Biogasanlage ablaufenden mikrobiellen Abbauprozesse
sind stark von der Fermentertemperatur abhängig. Aus diesem Grund werden
die Reaktoren meist thermisch isoliert und mit einer Heizung ausgestattet.
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Da
es im Verlauf der bis über
drei Wochen dauernden Vergärung
zu Entmischungen kommen kann, wird das Material bewegt. Die unerwünschten Entmischungen
würden
zur Bildung von feststoffreichen Schwimm- und Sinkschichten führen, die
in der Folge den Stofftransport im Reaktor behindern. Der Reaktor
ist meist mit einem Zulauf für
halb flüssige bis
flüssige
Materialien und einer Einzugsschnecke für feste Materialien ausgestattet.
Häufig
werden Fermentoren mit Vorrichtungen zum Austrag der nicht vergärbaren,
sich im Bodenbereich absetzenden organischen und anorganischen Bestandteile
ausgerüstet.
Den Austrag der vergorenen Substanzen aus dem Reaktor übernimmt
ein in das Fermentat eintauchendes Steigrohr, das als Überlauf
in einen weiteren Reaktor oder in ein Substratlager ausgeführt ist.
Das entstehende Biogas wird über
einen so genannten Gasdom entnommen und der Verwertung zugeführt.
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Aus
diesen allgemeinen Ausführungen über Biogasanlagen
kann ein Eindruck von den in Fermentoren herrschenden Bedingungen
gewonnen werden: In Fermentoren werden teilweise sehr zähflüssige Dispersionen
mit einem hohen Feststoffanteil durch Rührwerke oder ähnliche
Vorrichtungen zumindest zeitweise kräftig bewegt. Einzelne Partikel, wie
z. B. ganze Zuckerrüben
messen dabei bis zu 25 cm im Durchmesser. Zudem werden stabile Schwimmschichten,
die sich im Fermenter ausbilden können, durch das Rührwerk in
großen
zusammenhängenden
Matten durch den Fermenter gezogen. Die genannten Faktoren führen zu
einer hohen mechanischen Belastung aller im Fermenter installierten Komponenten.
Insbesondere sind davon die Bauteile der Rührwerke betroffen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „Fermenter" nicht nur Fermentoren
an sich verstanden, sondern jede Art von großvolumigem Behälter, in
dem Biogas durch mikrobielle Abbauprozesse produziert und das gebildete
Biogas gesammelt wird. Neben den Fermentern handelt es sich dabei
insbesondere um Nachgärer.
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Besonders
hohen mechanischen Beanspruchungen und damit einer sehr hohen Abnutzung
sind die Lager der Rührwelle
des Fermenters ausgesetzt. Unter den in Fermentern üblicherweise
herrschenden Bedingungen ist die Belastung der Rührwellenlager so stark, dass
sie routinemäßig in bestimmten Zeitintervallen
ersetzt werden müssen.
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Ein
solcher Wechsel eines Rührwellenlagers ist
im Falle einer horizontal angeordneten Rührwelle in mehrfacher Hinsicht
problematisch: Zum Wechsel des Lagers muss der Betrieb der Anlage
unterbrochen, der Fermenterinhalt zumindest bis unterhalb der Lagerung
der Rührwelle
abgelassen und der abgelassene Inhalt entsorgt werden, was aufgrund
des intakten Gärprozesses
mit einer erheblichen Emissionsbelastung einhergeht. Nach dem Wechsel
des Lagers muss der Fermenter wieder aufgefüllt werden. Schließlich muss
sich der Prozess der Biogasgenese wieder etablieren. Insgesamt betrachtet
entspricht ein Lagerwechsel häufig
einem Anlagenausfall von zwei bis drei Monaten.
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Bei
Fermentern mit horizontal angeordneten Rührwerken handelt es sich beispielsweise
um liegende Durchflussfermenter mit in der Längsachse des Fermenters zentral
angeordneter Rührwelle
oder um stehende Fermenter, die mit ein oder mehreren horizontal
angeordneten Rührwellen
ausgestattet sind.
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In
beiden Fällen übernehmen
die häufig
aus Polyamid gefertigten Rührwellenlager
im Betrieb des Fermenters die Abdichtung des Fermenterinnenraums
gegen die Außenseite
des Fermenters. Das die Rührwelle
formschlüssig
umgebende Lager wird von außen
gegen die Fermenterwand gepresst und dichtet so den im Bereich des
Durchtritts der Rührwelle
durch die Fermenterwand zwischen Rührwelle und Fermenterwand vorliegenden,
mit Substrat gefüllten
Hohlraum gegenüber
der Außenseite
ab.
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Aus
dem geschilderten Stand der Technik geht hervor, dass die Abdichtung
des Fermenterinnenraums im Bereich des Durchtritts der Rührwelle durch
die Fermenterwand gegenwärtig
unbefriedigend gelöst
ist.
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Darstellung der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Rührwerk für einen Fermenter bereitzustellen,
das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Rührwerk
für einen
Fermenter gemäß unabhängigem Anspruch
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und der Figur.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Rührwerk für einen Fermenter bereit. Das
Rührwerk
umfasst zumindest eine horizontal angeordnete, die Fermenterwand
durchbrechende Rührwelle
mit zumindest einem sich an der Fermenterwand abstützenden Rührwellenlager.
Die Rührwelle
ist erfindungsgemäß zusätzlich mit
einer Dichtung ausgestattet, die den Fermenterinnenraum im Bereich
des Durchtritts der Rührwelle
durch die Fermenterwand gegenüber
der Fermenteraußenseite
abdichtet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Idee zu Grunde, das bei einem Wechsel
eines Rührwellenlagers
erforderliche Ablassen des Fermenterinhalts dadurch zu vermeiden,
dass eine zusätzliche
Dichtung angebracht wird, die den Fermenterinnenraum im Bereich
des Durchtritts der Rührwelle
durch die Fermenterwand gegenüber
der Fermenteraußenseite abdichtet.
Grundsätzlich
kann dazu jede Art von bekannter Dichtung verwendet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Dichtung einen um die Rührwelle
angeordneten Dichtungsring. Durch einen Dichtungsring kann in besonders
einfacher Weise eine Abdichtung des Fermenterinnenraums erreicht
werden. Bevorzugt wird ein aus Polyamid gefertigter Dichtungsring verwendet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Dichtung ein an der Fermenterwand befestigtes Rohr, wobei das
Rohr die Rührwelle
umschließt
aber nicht in direktem Kontakt mit der Rührwelle steht. Ein solches,
die Fermenterwand durchbrechendes Rohr kann auf einfache Weise beim
Bau des Fermenters in dessen Wand eingebracht werden. Wird das Rohr
beispielsweise beim Errichten des Fermenters in die Wandung einbetoniert,
so ergibt sich eine dauerhafte und belastbare Befestigung des Rohrs.
Der direkte Kontakt zwischen Rohr und Rührwelle wird vermieden, weil
ansonsten Reibungsverluste zwischen Rührwelle und Rohr zu einem erhöhten Energiebedarf
beim Rühren
führen
würden. Bevorzugt
wird ein aus Metall gefertigtes Rohr verwendet.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
gemäß der das
Rohr an seinem der Fermenterinnenseite zugewandten Ende eine sich
zum Fermenterinnenraum hin erweiternde konische Auskragung aufweist.
Diese Auskragung kann der Aufnahme des Dichtungsrings dienen und
ergibt so eine besonders hochwertige und zuverlässige Abdichtung des Fermenterinnenraums.
Neben der Abdichtung des Fermenterinnenraums erfüllt die Dichtung in dieser
Ausführungsform
eine weitere Funktion. Durch die Aufnahme des Dichtungsrings in
die Auskragung des sich an der Fermenterwand abstützenden
Rohrs wird das Rührwerk
präzise
in der Mitte des Rührwellenlagers
fixiert. Dadurch können
das Rührwellenlager
wie auch die Dichtringe problemlos ausgetauscht werden. Ohne die
Abstützung
des Dichtungsrings an dem Rohr müsste
die Rührwelle
bei einem Austausch des Rührwellenlagers
manuell bis zum Mittelpunkt der Durchbrechung der Fermenterwand
(ca. 8 cm) angehoben werden, was sich angesichts des hohen Gewichts
als problematisch gestaltet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist auch der Dichtungsring eine sich zum Fermenterinnenraum hin
erweiternde konische Form auf. Sind die Auskragung des Rohrs und
der Dichtungsring zueinander formschlüssig ausgebildet, so ergibt
sich eine extrem starke Abdichtung, die auch dem durch das Substrat
in einem Fermenter ausgeübten
Druck problemlos standhält
und den Fermenterinnenraum zuverlässig abdichtet. Die oben angesprochene
Fixierung des Rührwerks
in der Mitte des Rührwellenlagers
bzw. in der Mitte der Durchbrechung der Fermenterwand ergibt sich
in dieser Ausführungsform
aufgrund der formschlüssigen
Ausbildung von Auskragung und Dichtungsring in besonders vorteilhafter
Weise.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist zumindest eine, sich an der Fermenterwand abstützende,
die Fermenterwand durchbrechende Stellschraube vorgesehen. Diese
Stellschraube ist dazu vorgesehen, den Dichtungsring entlang der
Rührwelle
zu bewegen.
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Besonders
bevorzugt weist die Stellschraube ein in Richtung des Dichtungsrings
vorspringendes Mittel zum Kontaktieren des Dichtungsrings auf. Mit
Hilfe des Mittels zum Kontaktieren des Dichtungsrings kann eine
genügend
große
Kontaktfläche
zwischen der Stellschraube und dem Dichtungsring hergestellt werden,
wodurch eine problemlose Bewegung des Dichtungsrings entlang der
Hauptachse der Rührwelle
erreicht wird. Durch ein Herausschrauben der Stellschraube in Richtung
der Fermenteraußenseite
wird über
das Mittel zum Kontaktieren des Dichtungsrings eine Kraft auf den
Dichtungsring ausgeübt und
dieser entlang der Rührwelle
in Richtung Fermenterwand bewegt. Der Dichtungsring kann auf diese
Weise fest gegen die Fermenterwand gepresst werden und dichtet den
Fermenterinnenraum besonders gut ab.
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Besteht
die Dichtung aus einem Rohr mit einer konischen Auskragung und einem
zu der konischen Auskragung formschlüssig ausgestalteten Dichtungsring,
so führt
das beschriebene Vorgehen zu einer extrem zuverlässigen Abdichtung des Fermenterinnenraums.
Der konische geformte Dichtungsring wird durch die Stellschraube
in die konische Auskragung des Rohrs gepresst und dichtet auf diese
Weise den Fermenterinnenraum zuverlässig ab.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Ausführungsformen
sind zumindest zwei, besonders bevorzugt zumindest drei, ganz besonders
bevorzugt zumindest vier Stellschrauben vorgesehen. Mit einer zunehmenden
Zahl an Stellschrauben kann eine über den Umfang des Dichtungsrings
zunehmend gleichmäßigere Kraft
auf den Dichtungsring ausgeübt
werden. Auf diese Weise wird der Dichtungsring über seinen ganzen Umfang mit
gleichmäßiger Kraft
gegen die Fermenterwand bzw. in den Konus des Rohrs gepresst und
dadurch eine zunehmend bessere Abdichtung erreicht.
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Besonders
gut und besonders gleichmäßig erfolgt
eine solche Kraftübertragung
auf den Dichtungsring, wenn die Stellschrauben parallel zur Rührwelle
ausgerichtet vorliegen und insbesondere wenn die Stellschrauben äquidistant
zur Rührwelle
angeordnet sind.
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In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass während des üblichen
Betriebs des Fermenters, also bei sich drehender Rührwelle,
die Abdichtung des Fermenterinnenraums weiterhin durch das Rührwellenlager übernommen
werden kann. Ein an die Fermenterwand oder in die konische Auskragung
des Rohrs gepresster Dichtungsring würde zusätzliche Reibung und damit einen
erhöhten Energieverbrauch
nach sich ziehen. Im Normalfall werden also die Stellschrauben so
eingestellt, dass der Dichtungsring von seinem Gegenstück am Fermenter
beabstandet ist. Erst wenn ein Wechsel des Rührwellenlagers erforderlich
ist, werden die Stellschrauben angezogen, der Dichtungsring beispielsweise
in den Konus des Rohrs gepresst und der Fermenterinnenraum auf diese
Weise abgedichtet. Auch nach Abnahme des Antriebs und der Rührwellenlager
entsteht dann keine offene Verbindung zwischen Fermenterinnenraum
und der Außenseite
des Fermenters.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch Fermenter für die Biogasherstellung, die
zumindest mit einem Rührwerk
gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsformen
ausgestattet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zur
Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge wird
nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
angegeben. Das Ausführungsbeispiel
soll im Zusammenhang mit der 1 näher erläutert werden.
Es versteht sich von selbst, dass die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel
gemachten Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rührwerks
für einen
Fermenter.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Die 1 zeigt
einen Schnitt durch eine Fermenterwand 1 mit Rührwelle 2 und
dem aus Polyamid gefertigten Rührwellenlager 3.
In der gezeigten Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Dichtung
ein an der Fermenterwand befestigtes Rohr 4, das die Rührwelle 2 umschließt. Durch
den dargestellten Spalt 5 wird deutlich, dass das Rohr 4 nicht
in direktem Kontakt mit der Rührwelle 2 steht.
Das die Fermenterwand 1 durchbrechende Rohr 4 wurde beim
Bau des Fermenters in dessen Wand einbetoniert, wodurch eine dauerhafte
und belastbare Befestigung des Rohrs 4 erreicht wurde.
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Das
Rohr 4 weist an seinem der Fermenterinnenseite zugewandten
Ende eine sich zum Fermenterinnenraum hin erweiternde konische Auskragung 6 auf.
Diese Auskragung dient der Aufnahme des Dichtungsrings 7,
der eine sich zum Fermenterinnenraum hin erweiternde konische Form
aufweist. Die Auskragung 6 des Rohrs 4 und der
Dichtungsring 7 sind zueinander formschlüssig ausgebildet.
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Die
beiden sich an der Fermenterwand 1 abstützenden, die Fermenterwand 1 durchbrechenden Stellschrauben 8 weisen
jeweils ein in Richtung des Dichtungsrings 7 vorspringendes
Mittel 9 zum Kontaktieren des Dichtungsrings 7 auf.
Mit Hilfe der Mittel 9 zum Kontaktieren des Dichtungsrings 7 wird
eine genügend
große
Kontaktfläche
zwischen den Stellschrauben 8 und dem Dichtungsring 7 hergestellt. Durch
ein Herausschrauben der Stellschrauben 8 in Richtung der
Fermenterwand 1 wird über
die Mittel 9 zum Kontaktieren des Dichtungsrings 7 eine
Kraft auf den Dichtungsring 7 ausgeübt und dieser entlang der Rührwelle 2 in
Richtung Fermenterwand 1 bewegt. Der konische geformte
Dichtungsring 7 wird durch die Stellschrauben 8 in
die konische Auskragung 6 des Rohrs 4 gepresst
und dichtet auf diese Weise den Fermenterinnenraum zuverlässig ab.
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In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass während des üblichen
Betriebs des Fermenters, also bei sich drehender Rührwelle 2,
die Abdichtung des Fermenterinnenraums weiterhin durch das Rührwellenlager 3 übernommen
werden kann. Ein in die konische Auskragung 6 des Rohrs 4 gepresster
Dichtungsring 7 würde
zusätzliche
Reibung und damit einen erhöhten
Energieverbrauch nach sich ziehen. Im Normalfall werden also die Stellschrauben 8 so
eingestellt, dass der Dichtungsring 7 von seinem Gegenstück am Fermenter
beabstandet ist.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Anlaufring 10 an dem Mittel 9 zum Kontaktieren
des Dichtungsrings 7 befestigt. Der Anlaufring 10 kann also
durch Bewegung der Stellschrauben 8 in Richtung der Anlaufscheibe 11 und
von dieser weg bewegt werden. Die Stellschrauben 8 können also
auch dazu benutzt werden, den Abstand zwischen Anlaufring 10 und
Anlaufscheibe 11 festzulegen.
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- 1
- Fermenterwand
- 2
- Rührwelle
- 3
- Rührwellenlager
- 4
- Rohr
- 5
- Hohlraum
- 6
- Auskragung
des Rohrs
- 7
- Dichtungsring
- 8
- Stellschraube
- 9
- Mittel
zum Kontaktieren des Dichtungsrings
- 10
- Anlaufring
- 11
- Anlaufscheibe