DE102015102982A1 - Stationäre und mobile Vorrichtung zum energieoptimalen Einbringen eines Fluides in ein Fluid durch einen gesteuerten Eintrag einzelner Blasen oder Tropfen eines Gases, Gasgemisches oder Fluides - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Einbringen eines Fluides (2), insbesondere eines Gases oder eines Gasgemisches, aus der Vorrichtung (1) in ein die Vorrichtung (1) umgebendes Fluid (3), insbesondere in eine Flüssigkeit, umfassend eine Druckkammer (10), ein Abdeckelement (11), das zumindest eine Oberseite der Druckkammer (10) bildet, eine Begaserwanne (12), die zumindest eine Unterseite der Druckkammer (10) bildet, eine Zuluft-Medienleitung (30) zum Zuführen des Fluides (2) in die Druckkammer (10), eine Entwässerungsleitung (20) zum Abführen von Flüssigkeit aus der Druckkammer (10), und eine Vielzahl von Auslasselementen (40) zum Durchleiten des Fluides (2), die in dem Abdeckelement (11) ausgebildet sind. Erfindungswesentlich ist, dass das Abdeckelement (11) als Formkörper oder aus einem monolithischen Festkörper herstellbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Fluides, insbesondere eines Gases oder eines Gasgemisches, aus der Vorrichtung in ein die Vorrichtung umgebendes Fluid, insbesondere in eine Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, umfassend eine Druckkammer, ein Abdeckelement, das zumindest eine Oberseite der Druckkammer bildet, eine Begaserwanne, die zumindest eine Unterseite der Druckkammer bildet, eine Zuluft-Medienleitung zum Zuführen des Fluides in die Druckkammer, eine Entwässerungsleitung zum Abführen von Flüssigkeit aus der Druckkammer und eine Vielzahl von Auslasselementen zum Durchleiten des Fluides, welche in dem Abdeckelement ausgebildet sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 8 ein Verfahren zur Herstellung eines Abdeckelements für eine Vorrichtung zum Einbringen eines Fluides aus der Vorrichtung in ein die Vorrichtung umgebendes Fluid, insbesondere für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
• In derzeit üblichen Vorrichtungen zum Einbringen eines Fluides, wie beispielsweise eines Gases oder eines Gasgemisches in ein Fluid, wie beispielsweise in eine Flüssigkeit, d. h. zum Begasen von Flüssigkeiten, werden Membran-Begaser, Keramik-Begaser oder horizontale Lochbleche eingesetzt.
• Dabei hat sich als Nachteil herausgestellt, dass die Membran-Begaser und die Keramik-Begaser einen hohen Energieverbrauch aufweisen. Die Schlitze in den Membranen dieser Begaser müssen für ihren Betrieb umständlich geöffnet und geschlossen werden, was zu systembedingten Druckverlusten beim Gasdurchtritt aus den Membranschlitzen oder durch die Wand der Keramik-Begaser führt. Bei Stillstandzeiten kann Wasser durch die Membranschlitze oder die Poren der Keramikwand in die Begaser eindringen, das dann durch die Verdunstung während des Betriebes mit der geförderten Luft wieder ausgetragen werden muss. Außerdem ist es nachteilig, dass die Membran- sowie Keramik-Begaser nur kompliziert gereinigt werden können. Dafür müssen sie vor der vollständigen Entnahme aus der Flüssigkeit von ihren Befestigungselementen am Boden, die die Begaser gegen Auftrieb sichern, vor dem Herausnehmen mit hohem Aufwand gelöst werden und durch die Verdunstung der in die Schlitze eingetretenen Flüssigkeit und nach der Verdunstung zurückgebliebenen Verunreinigungen befreit werden. Bei der Reinigung der bekannten Begaser können zudem meist die festgesetzten Feststoffe oder Schmutzpartikel in den Membranschlitzen oder auf der Keramikoberfläche nicht vollständig entfernt werden.
• Folglich weisen die Membran- und Keramik-Begaser eine kurze Funktionsdauer auf, da die Schlitze mit den Schmutzpartikeln verstopft werden können, was dazu führen kann, dass die Begaser nicht mehr einsatzfähig sind oder für die Überwindung der durch die Verschmutzung höheren Reibungswiderstände mehr Energie verbraucht werden muss. Allen herkömmlichen Begasern ist gemein, dass die einzelnen eingetragenen Gasblasen sich schnell zu noch größeren Blasen verbinden bzw. koaleszieren und daher eine zu hohe Aufstiegsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch sich im Umkehrschluss die für den Übertrag von Gas aus der Gasblase in die Flüssigkeit maßgebende Kontaktzeit, die durch die Aufstiegsgeschwindigkeit bestimmt wird, verkürzt. Das Gas wird daher schnell aus der Flüssigkeit ausgeschieden, wodurch die gewünschten Effekte der minimalen Aufstiegsgeschwindigkeit bzw. maximalen Kontaktzeit der Gasblasen mit der Flüssigkeit nicht oder nur eingeschränkt erreicht werden können. Das hat zur Folge, dass, je größer die Gasblasen sind, umso mehr Volumen des Gases oder Gasgemisches muss gefördert werden, um das mit dem eingetragenen Gas oder Gasgemisch angestrebte Ziel des Übergangs der benötigten Menge von Gasen oder Gasgemischen in die umgebende Flüssigkeit zu erreichen bzw. ein Maximum aus dem in die Druckkammer geförderten Volumenstrom in der Flüssigkeit möglichst fein zu verteilen. Mit den größeren Gasblasen wird im Gegensatz zu kleinen Gasbläschen mehr Energie für die Förderung des Gases oder Gasgemisches verbraucht, da die kürzere Kontaktzeit der schnell aufsteigenden Blasen mit der Flüssigkeit ein größeres Gasvolumen erfordern, um die gewünschten Effekte des in die Flüssigkeit eingeleiteten Gases mit der Flüssigkeit zu erzielen.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Gases oder eines Gasgemisches in eine Flüssigkeit bereitzustellen, die energiesparend arbeitet, indem einzelne kleine und auch sehr kleine Gasbläschen beim Ausleiten aus der Vorrichtung in die Flüssigkeit bereitgestellt werden, die nicht koaleszieren und die somit mit einer niedrigen Aufstiegsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit aufsteigen, woraus eine verlängerte Aufenthaltszeit der Bläschen in der Flüssigkeit bzw. eine verlängerte Kontaktzeit mit der Flüssigkeit resultiert, wodurch gleichzeitig der Energiebedarf zur Förderung der benötigten Volumenstroms des Gases oder Gasgemisches merklich reduziert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll einfach gereinigt werden können. Außerdem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Abdeckelement für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit möglichst kleinen Auslasselementen reproduzierbar herstellbar ist.
• Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Einbringen eines Fluides mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Abdeckelements für eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Nachfolgend wird das einzutragende Fluid zur Veranschaulichung der Erfindung – jedoch nicht einschränkend – als Gas oder Gasgemisch bezeichnet. Das einzutragende Fluid kann aber auch eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch sein. Als Fluid, in welches das einzutragende Fluid eingetragen wird, kann eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch oder ein Gas oder Gasgemisch sein. Zur Verdeutlichung der Erfindung wird nachfolgend – jedoch nicht einschränkend – als Fluid, in das das einzutragende Fluid in Form von Bläschen eingetragen wird, als Flüssigkeit bezeichnet.
• Der Energiebedarf für den Eintrag eines Fluides, beispielsweise von Gasen oder Gasgemischen in ein Fluid, beispielsweise in eine Flüssigkeit kann erfindungsgemäß durch drei Maßnahmen reduziert werden.
• Zum einen muss der Volumenstrom eines Gases oder eines Gasgemisches bereits im Zeitpunkt des Eintrags in die Flüssigkeiten so fein wie möglich in der Flüssigkeit verteilt werden, dass eine maximale Kontaktfläche zwischen dem geförderten Fluid-Volumenstrom vom Gasgemisch und der umgebenden Flüssigkeit erzielt wird. Zum zweiten ist zu vermeiden, dass Gasblasen nach dem Austritt aus einem Auslasselement vor dem Erreichen der Oberfläche der Flüssigkeit koaleszieren, um einen schnellen Auftrieb von zu großen Blasen koaleszierten kleinen Bläschen zu vermeiden. Zum dritten sind die Reibungswiderstände vom Eintritt eines Gases oder Gasgemisches in den Begaser bzw. in eine Druckkammer bis zum Austritt aus dem Auslasselementen auf ein Minimum zu reduzieren.
• Je geringer der Durchmesser bzw. das Volumen einer Gasblase ist, umso höher sind die auf die aufsteigende Gasblase wirkenden Reibungskräfte der Flüssigkeit und umso niedriger ist die Aufstiegsgeschwindigkeit bzw. umso länger ist die Aufstiegszeit oder auch die Kontaktzeit der Gasblase in der bzw. mit der Flüssigkeit. Je länger die Aufstiegszeit bzw. die Kontaktzeit ist, umso länger kann der Inhalt der Gasblase in die Flüssigkeit beispielhaft als Sauerstoff bei der biologischen Abwasserreinigung diffundieren. Die Oberfläche einer Blase, die die Form Kugel aufweist, ergibt sich aus 4·r²·π und das Volumen der Kugel aus 4 / 3·r³·π. Mit steigendem Volumen der Luftblase verringert sich das Verhältnis vom Volumen einer Kugel zu ihrer Oberfläche (= spezifisches Volumen = 3/r = 6/d), so dass mit zunehmendem Volumen der Kugel auch die Kontaktfläche des gesamten definierten Luftvolumens im Reaktor im Verhältnis zur umgebenden Flüssigkeitsmenge abnimmt. Wird der Durchmesser einer Kugel mit r = 2 bei konstant bleibender Temperatur und konstant bleibendem Druck auf r = 1 reduziert, ändert sich die Oberfläche von 50,24 Flächeneinheiten einer Kugel auf 12,56 Flächeneinheiten einer Kugel und das Volumen einer Kugel mit r = 2 von 33,49 Volumeneinheiten ändert sich bei einer Kugel mit r = 1 auf 4,19 Volumeneinheiten. Das Volumen einer Kugel mit r = 2 entspricht nach Reduktion des Radius auf r = 1 mit 33,49 / 4,19 dem Volumen von 8 Kugel mit r = 1. Die Ausgangsfläche von 50,24 Flächeneinheiten von einer Kugel mit r = 2 ändert sich auf eine Fläche der 8 Kugeln mit r = 1 auf 8·12,56 = 100,48 Flächeneinheiten, was dem 2-fachen der Ausgangsfläche bei r = 2 entspricht. Auf die um das 2-fache höhere gesamte Oberfläche von 100,48 Flächeneinheiten wirken gegenüber 50,24 Flächeneinheiten um das 2-fache höhere Reibungskräfte, die sich verzögernd auf den Auftrieb bzw. Aufstieg einer Gasblase und umgekehrt verlängernd auf die Kontaktzeit auswirken.
• Um zu verhindern, dass zwei oder mehr Gasblasen nach dem Austritt aus dem Begaser koaleszieren und mit jeder Koaleszenz das Verhältnis von Volumen zu Kontaktfläche zwischen der Gasblase und der sie umgebenden Flüssigkeit verringert wird, müssen beim Eintrag eines Gases oder Gasgemisches zwei Bedingungen erfüllt sein. Die erste Bedingung ist, dass der Abstand der einzelnen Austrittsöffnungen in den Auslasselementen zu einander, aus denen das Gas oder Gasgemisch in die Flüssigkeit gelangt, mindestens so groß ist, dass bei zeitgleichem Austritt von je einer Gasblase aus zwei oder mehr Austrittsöffnungen in den Auslasselementen aus einem Begaser keine dieser Blasen mit einer der anderen zeitgleich oder in sehr kurzer Zeit nach dieser austretenden Blasen in Kontakt kommt, die zu einer größeren Blase koaleszieren. Die zweite Bedingung ist, dass oberhalb jeder Austrittsöffnung des Begasers zwei nacheinander austretende Gasblasen nicht miteinander koaleszieren können.
• Damit das Gas oder Gasgemisch aus einer Druckkammer durch ein Auslasselement strömen kann, muss der gesamte Druck in der Druckkammer plus der Druck zur Überwindung der Reibungskräfte im Auslasselement größer sein als der Druck, der durch die über der Druckkammer und dem Auslasselement stehenden Wassersäule erzeugt wird. Zur Überwindung dieses Drucks muss Energie bereitgestellt werden. Der Energiebedarf verschiedener Begasertypen ist bei gleichem Volumenstrom und bei gleicher Temperatur abhängig von den zu überwindenden Reibungswiderständen sowohl im Begaser als auch in den Auslasselementen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einbringen eines Fluides, insbesondere eines Gases oder eines Gasgemisches, aus der Vorrichtung in ein die Vorrichtung umgebendes Fluid, insbesondere in eine Flüssigkeit, schließt die technische Lehre ein, dass das Abdeckelement als Formkörper oder aus einem monolithischen Festkörper herstellbar ist.
• Ein Abdeckelement als Formkörper, der beispielsweise aus einer aushärtbaren Gießmasse, wie beispielsweise einer Polyurethanharzverbindung, einer Epoxidharzverbindung, einer Polyesterharzverbindung oder einer Kombination aus mindestens zwei dieser Harzverbindungen und entsprechenden Zusatzmitteln, wie Reaktionsverdünner, Aushärter und Weichmacher, herstellbar ist, eignet sich insbesondere für eine vielfache und relativ einfache Reproduktion des Abdeckelementes und somit für eine einfache und kostengünstige Herstellung. Insgesamt sind sämtliche Kunststoff- oder Metallverbindungen denkbar, die sich in einem Gieß- oder Formprozess unter oder ohne Vakuum zu einem Formkörper ausbilden lassen, der als Abdeckelement ausgestaltet ist. Natürlich kann ein als Formkörper ausgestaltetes Abdeckelement auch ein aus einer Gießkeramik oder einem Siliziumoxid hergestelltes keramisches oder Glas Abdeckelement sein. Die so ausgestalteten Abdeckelemente eignen sich insbesondere aufgrund ihrer glatten Oberflächen und ihren inerten Eigenschaften für eine besonders gute Reinigung.
• Auch ein aus einem monolithischen Festkörper hergestelltes Abdeckelement kann in einfacher Weise reproduzierbar hergestellt werden. Als monolithischer Festkörper soll dabei ein aus einem Guss hergestellter in einem Stück vorliegender Festkörper verstanden werden, der als Ausgangsbasis zur Formung des Abdeckelements dient. Beispielweise kann der monolithische Festkörper ein aus einem Metall, wie Stahl, verzinktem Blech, Eisen, Messing, Aluminium oder anderen Metallen oder Edelmetallen, wie Titan, Edelstahl und dessen Legierungen, aus POM Polyoxymethylan, Polyacetal oder kurz Acetal (Handelsname u. a. Delrin), PVC Polyvinylchlorid, Teflon PTFE Polytetrafluorethylen, PA Polyamide, Pertinax Faserverbundwerkstoff (Hartgewebe), Aluminiumlegierungen, Messinglegierungen, Gießkeramik (als Rohling), Titanlegierungen hergestellter Gießkörper sein, der durch Bearbeitung, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen oder Bohren in die Form des Abdeckelements mit dessen Funktionen gebracht wird.
• In bevorzugter Weise ist das aus einem Formkörper oder aus einem monolithischen Festkörper hergestellte Abdeckelement selbsttragend, so dass dieses ohne eine zusätzliche stützende Struktur in der Vorrichtung verbaut werden können. Dabei ist das Abdeckelement vorzugsweise bereits selbsttragend gefertigt. Das Abdeckelement kann aber auch gestützt oder anderweitig in der Vorrichtung gelagert sein. Werden mehrere Elemente großflächig verbaut, d. h. vorzugsweise miteinander verbunden, können die außen liegenden Abdeckelemente vorteilhaft auf den Seitenwänden der Vorrichtung gelagert werden. Die Abdeckelemente können aber auch über jeder ihrer in die Vorrichtung hineinragenden Ecke durch einen Pfeiler getragen werden. Dabei kann ein Pfeiler auch vier Ecken von vier aneinander angrenzenden Abdeckelementen tragen.
• Das Abdeckelement beispielsweise als monolithischer Festkörper in Form einer Metallplatte kann vorzugsweise durch Stanzen, Sägen, Schneiden oder Lasern aus einer Metallbahn oder -platte herausgetrennt werden. Die Metallbahn oder -platte sollte vorzugsweise eine Materialstärke von 0,05 mm bis 5,0 mm aufweisen, und in besonders bevorzugter Weise eine Materialstärke von 0,15 mm bis 0,5 mm haben, damit das in der Materialstärke der Metallbahn oder -platte herausgetrennte Abdeckelement zum einen vorzugsweise selbsttragend ist und zum anderen auch unter Druckbeaufschlagung formstabil bleibt.
• Die äußeren Maße des Abdeckelements können gleich den äußeren Maßen einer Druckkammer sein, wobei zwischen Abdeckelement und Druckkammer vorteilhaft eine Dichtung eingelegt werden kann, und das Abdeckelement mit der Druckkammer zumindest kraft- und/oder formschlüssig verbunden werden kann, beispielsweise durch Verschrauben, wobei beispielsweise an der Druckkammer und/oder an dem Abdeckelement ein Gewinde ausgebildet ist, dass mit einem an dem Abdeckelement und/oder der Druckkammer ausgebildeten Gegengewinde kraft- und formschlüssig eingreift, wobei vorteilhaft im Bereich der Gewinde die Dichtung zwischen dem Abdeckelement und der Druckkammer angeordnet ist. Das Abdeckelement kann aber auch vorteilhaft mittels Befestigungselementen, wie beispielsweise Schrauben oder Nieten mittels Verschraubung, Vernietung mit der Druckkammer kraftschlüssig verbunden werden. Natürlich ist es auch denkbar, das Abdeckelement stoffschlüssig mit der Druckkammer zu verbinden, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder Verlöten des Abdeckelementes mit der Druckkammer.
• Vorzugsweise kann auf das Abdeckelement ein Rahmen aufgelegt werden, dessen Abmessungen denen einer Dichtung zwischen dem Abdeckelement und der Druckkammer entsprechen, um mit diesem Rahmen die Dichtung gleichmäßig auf die Fläche zwischen Druckkammer und Abdeckelement aufzupressen.
• Zwischen das Abdeckelement und die Begaserwanne der Druckkammer kann optional eine Klebedichtung eingebracht werden, die zum einen das Abdeckelement mit der Druckkammer kraft- und stoffschlüssig verbindet, so dass eine zusätzliche mechanische Verbindung durch Schrauben oder Nieten nicht erforderlich ist, und die zum anderen eine separate Dichtung zwischen dem Abdeckelement und der Begaserwanne Druckkammer ersetzt. Um ein Abheben des Abdeckelements bei einem von einer unvorhergesehenen hohen Luftmenge erzeugten Druckstoß zu vermeiden, kann das Abdeckelement jedoch durch Schrauben oder Nieten zusätzlich gesichert werden.
• Die äußeren Maße des Abdeckelements, d. h. die Fläche des Abdeckelements ist vorzugsweise so bemessen, dass eine plane Fläche des Abdeckelements zumindest an den Randbereichen über einen Rand der Begaserwanne Druckkammer, wobei der Rand durch Seitenwände der Begaserwanne der Druckkammer gebildet wird, hinauskragt. In vorteilhafter Weise kann das Abdeckelement an den Randbereichen zumindest abschnittsweise umgekantet werden, wobei die Umkantungen des Abdeckelements vorzugsweise an oder auf den Seitenwänden außen- oder innenliegend in Bezug auf die Druckkammer auf- bzw. anliegen und das Abdeckelement mit der Druckkammer vorteilhafterweise über die Umkantungen verschraubt, vernietet oder verklebt werden kann. Vorzugsweise kann dabei zwischen den Umkantungen des Abdeckelements und den Seitenwänden der Begaserwanne der Druckkammer eine Dichtung eingelegt werden, die beispielsweise auch in Form einer Klebedichtung ausgeführt ist.
• Die abgekanteten Flächen des Abdeckelements, d. h. die Umkantungen versteifen durch ihre Funktion als Flächenträgheitsmoment die Fläche des Abdeckelements in den Randbereichen gegen Durchbiegung was in vorteilhafter Weiser zu einer Versteifung des gesamten Abdeckelements führt, wodurch die Materialstärke des Abdeckelements noch verringert werden kann, ohne die selbsttragende Funktion des Abdeckelements zu beeinträchtigen und zudem kann gleichzeitig durch die geringere Materialstärke des Abdeckelements die Kontaktstrecke eines Fluides auf dem Weg von der Druckkammer durch die Auslasselemente zu dem oberhalb des Abdeckelements befindlichen Fluids verkürzt werden, wodurch in vorteilhafter Weise die Reibung zwischen dem durch die Auslasselemente aus der Begaserwanne der Druckkammer geführten Fluides reduziert wird, was in vorteilhafter Weise zu einer zusätzlichen Energieoptimierung der Vorrichtung führt.
• In vorteilhafter Weise sind die Auslasselemente, die zum Durchleiten des Gases oder Gasgemisches, also des Fluides, aus der Druckkammer in die Flüssigkeit bzw. das Fluid dienen, als den Formkörper oder den monolithischen Festkörper, d. h. das Abdeckelement durchgreifende Löcher und/oder Kanäle ausgebildet. Das Abdeckelement weist zumindest ein Auslasselement und in bevorzugter Weise eine Vielzahl von Auslasselementen auf. Die Auslasselemente können als Quadrate oder Rechtecke oder gleichseitige oder gleichschenklige Dreiecke oder kreisförmig um ein einzelnes Auslasselement oder in einer beliebigen Anordnung auf einer Teilfläche oder auf der Gesamtfläche des Abdeckelements ausgebildet werden.
• Die Auslasselemente in einem Abdeckelement können alle denselben Durchmesser oder jedes Auslasselement einen eigenen Durchmesser oder mehrere Auslasselemente einer Gruppe einen selben und die Auslasselemente einer anderen Gruppe einen anderen Durchmesser aufweisen. Dabei weisen die als Löcher ausgestalteten Auslasselemente bevorzugt einen Durchmesser von 0,005 mm bis max 1,0 mm, vorzugsweise von 0,01 mm bis max 0,4 mm aufweist. Dabei sollte zumindest der Durchmesser der Löcher an ihrer Austrittsseite, das heißt an deren Öffnung zur Flüssigkeit hin, die bevorzugten Durchmesser aufweisen. Insgesamt kann der Durchmesser der Löcher beim Durchgreifen durch das Abdeckelement variieren, so dass sich dieser im Verlauf der Löcher beim Durchgreifen durch das Abdeckelement von der Eintrittsöffnung des Gases oder des Gasgemisches in der Druckkammer bis zur Austrittsöffnung des Gases oder des Gasgemisches in die Flüssigkeit erweitern und/oder verjüngen kann.
• In bevorzugter Weise sind Abstände zwischen dem Mittelpunkt von zwei benachbarten Auslasselementen mindestens dem Radius jedes der beiden Auslasselemente zuzüglich eines Abstandes auf der die Mittelpunkte verbindende Achse zwischen den Rändern der beiden Auslasselemente von 0,001 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,01 mm bis 1,0 mm ausgebildet.
• Die Auslasselemente können vorteilhaft als Zylinder mit glatten Wänden zwischen der Druckkammer und der Flüssigkeit oder als Kanal mit einem trichterförmigen Einlass und einen trichterförmigen Auslass oder als Kanal mit einem düsenförmigen Einlass und einem düsenförmigen Auslass oder einem trichterförmigen Einlass und einem düsenförmigen Auslass oder düsenförmigen Einlass und einem trichterförmigen Auslass ausgestaltet sein.
• Bei einem Durchmesser von 0,005 mm und einem Abstand zwischen zwei Auslasselementen von 0,01 mm auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Anordnung von (10 – 0,01)/(0,005 + 0,01) = 666 Auslasselementen in einer Reihe und auf der Fläche eine Anordnung von 10 mm × 10 mm an 666² = 443.556 Auslasselementen. Dies entspricht einer offenen Fläche des Abdeckelementes von 8,71 mm² und einem Anteil von 8,71 % an der Gesamtfläche von 100 mm². Bei einem Durchmesser von 0,05 mm und bei einem Abstand zwischen zwei Auslasselementen von 0,1 mm ergibt sich auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm eine Anordnung von (10 – 0,1)/(0,05 + 0,1) = 66 Auslasselementen in einer Reihe und auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm an 66² = 4356 Auslasselemente. Dies entspricht bei einer offenen Fläche von 8,56 mm² einem Anteil von 8,56 % an der Gesamtfläche von 100 mm² des Abdeckelements.
• Bei einem Lochabstand von 0,1 mm ergibt sich so beispielsweise eine Anzahl von 811801 Löchern auf einer Fläche von 900 mm × 900 mm. Haben dabei die Löcher einen Durchmesser von beispielsweise 0,11 mm beträgt die offene Fläche 7.714,803 mm², was eine Belegung von ca. 95,24 % bezogen auf die Gesamtfläche des Abdeckelementes bedeutet Bei einem Lochabstand von 0,2 mm reduziert sich die Anzahl von Löchern auf einer Fläche von 900 mm × 900 mm auf 203401 Löcher auf dieser Fläche.
• Bei einem Lochabstand von 0,1 mm ist ein Blasendurchmesser in bevorzugter Weise von < 0,1 mm vorausgesetzt, um ein Koaleszieren der aus den Auslasselementen austretenden Blasen zu verhindern.
• Ein Auslasselement in dem Abdeckelement kann bevorzugt in einem Winkel von 90° zur Fläche des Abdeckelements oder eine Gruppe von Auslasselementen in einem Abdeckelement oder alle Auslasselemente in einem Abdeckelement können in einem Winkel von 90° zur Fläche des Abdeckelements ausgerichtet sein.
• Natürlich kann ein Auslasselement in dem Abdeckelement auch in einem Winkel zwischen 0,1° und 89,9° zur Fläche des Abdeckelements geneigt ausgebildet sein, wobei auch alle Auslasselemente in einem Abdeckelement demselben Winkel zwischen 0,1° und 89,9° zur Fläche des Abdeckelements geneigt ausgebildet sein können. Es können auch mehrere Auslasselemente einer Gruppe in demselben Winkel zwischen 0,1° und 89,9° und Auslasselemente einer anderen Gruppe in einem anderen Winkel zwischen 0,1° und 89,9° zur Fläche des Abdeckelements geneigt ausgebildet sein.
• Ein Auslasselement in einem Abdeckelement oder eine Gruppe von Auslasselementen in dem Abdeckelement kann in einem Winkel zwischen 0,1° und 89,9° und eine andere Gruppe von Auslasselementen in einem Abdeckelement kann in einem anderen Winkel zwischen 0,1° und 89,9° und alle Auslasselemente in einem Abdeckelement können in einem Winkel zwischen 0,1° und 89,9° zur Fläche des Abdeckelements geneigt ausgebildet sein und gleichzeitig kann ein Auslasselement in einem Abdeckelement und eine Gruppe von Auslasselementen in einem Abdeckelement in einem Winkel zwischen 0° und 360° und eine andere Gruppe von Auslasselementen in einem Abdeckelement kann in einem anderen Winkel zwischen 0° und 360° und alle Auslasselemente in einem Abdeckelement können in einem Winkel zwischen 0° und 360° an einer virtuellen Linie, welche vom Mittelpunkt einer geometrischen Fläche oder von den Koordinaten des Schwerpunkts einer Fläche mit einer beliebigen Umfangslinie zu einem Punkt am Rand der Fläche des Abdeckelements führt, ausgerichtet sein.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll als eine Gruppe von Auslasselementen wenigstens zwei Auslasselemente verstanden werden, wobei jedes Auslasselement einer Gruppe jeweils dieselben Merkmale wie beispielsweise die gleiche Neigung oder die gleiche Ausrichtung aufweisen. Ein Auslasselement einer Gruppe, wobei die Gruppenzugehörigkeit durch die Ausgestaltung, die Funktion und/oder die Anordnung des Auslasselementes bestimmt wird, kann vorteilhafterweise an jedem Ort des Abdeckelements für sich alleine und nicht in einer geschlossenen Formation von mindestens zwei Elementen in dem Abdeckelement ausgebildet sein.
• Um die Auslasselemente als Löcher oder Kanäle in dem als Formkörper ausgestalteten Abdeckelement auszubilden, eignen sich insbesondere Drähte, Schnüre, Fäden, Stifte oder Hohlnadeln, die als Platzhalterelemente zur Ausgestaltung der Auslasselemente in oder an einer Negativform, in die die aushärtbare Gießmasse zur Ausgestaltung des Abdeckelements gefüllt wird, ein- oder angesetzt bzw. befestigt sind. Beim Abtrennen des Abdeckelements von der Negativform entstehen an den Stellen der Platzhalterelemente die als Löcher ausgestalteten Auslasselemente in dem Abdeckelement. Als Draht kann beispielsweise ein Dentaldraht, Flexinol (Muskeldraht), ein Bronzedraht, ein Silberdraht, Klavierdraht, ein Konstantandraht, ein Federstahldraht, ein Wolframdraht, ein Basaltdraht oder ein Edelstahldraht dienen. Als Schnur kann beispielsweise eine monofile oder polyfile Angelschnur dienen. Auch kann bevorzugt eine Glasfaser oder eine Litze als Platzhalterelement zur Ausgestaltung der als Löcher gebildeten Auslasselemente dienen. Ganz besonders bevorzugt kann auch eine aus einer Glaskanüle oder -pipette gezogene Spitze als Platzhalterelement zur Ausgestaltung der als Löcher gebildeten Auslasselemente dienen.
• Die Ausgestaltung der als Löcher ausgebildeten Auslasselemente in dem als monolithischer Festkörper ausgestalteten Abdeckelement lässt sich beispielsweise durch Bohren, Stanzen oder Lasern realisieren. Die Bohrer können, je nach Material, über verschiedenste Winkel verfügen, wie beispielsweise einen Spitzenwinkel, Spanwinkel, Freiwinkel, Keilwinkel oder Querschneidenwinkel.
• Werden die Auslasselemente als Löcher oder Kanäle in das Abdeckelement mittels Lasern ausgestaltet, kann bevorzugt pro Sekunde ein Loch mit einem Lochdurchmesser 0,08 mm = 80 µ geschossen werden. Bei einem Lochabstand von 2,9 mm ergeben sich auf diese Weise vorzugsweise 1024 Auslasselemente in einem Fertigungsschritt mit einer Abweichung des Durchmessers der einzelnen Auslasselemente von ±20% bezogen auf die Gesamtzahl der Auslasselemente.
• Noch bevorzugter kann ein als Loch ausgestaltetes Auslasselement mit einem Durchmesser von 0,05 mm = 50 µ pro Sekunde geschossen werden.
• In besonders bevorzugter Weise können mittels Lasern die Auslasselemente als Löcher oder Kanäle mit einem Lochdurchmesser < 0,05 mm = 50 µ in dem Abdeckelement ausgebildet werden. Der Durchmesser von 0,005 mm = 5 µ ist heute eine Absicherung bei entsprechender technischer Entwicklung.
• Ein Auslasselement mit einem geringen oder sehr geringen Reibungswiderstand kann aber auch ein innen glattes Rohrstück oder ein glatter Kanal sein, bei dem im Vergleich mit einem Membran-Begaser kein Schlitz in der Membran mit höherem Druck geöffnet werden muss und bei dem im Vergleich zu einem Keramik-Begaser kein höherer Druck zum Überwinden der Reibungswiderstände in der Keramikwand aufgebracht werden muss.
• Mit den bevorzugten Ausgestaltungen der Auslasselemente als Löcher mit einem sehr geringen Durchmesser oder als Rohrstück oder als Kanal mit sehr geringem Durchmesser kann so ein feiner Volumenstrom des Gases, Gasgemisches oder Fluides in die Flüssigkeit verteilt werden.
• Dem Grundsatz folgend, dass je feiner ein Volumenstrom des Gases, Gasgemisches oder Fluides in einer Flüssigkeit verteilt werden kann und je mehr mit zunehmend kleineren Durchmessern des Gases, Gasgemisches oder Fluides eine zunehmend größere Kontaktfläche von eingetragenen Gasblasen oder Fluidtropfen geschaffen werden kann, umso niedriger ist der zu fördernde Volumenstrom des Gases oder Gasgemisches und damit auch der für die Förderung des Volumenstroms erforderliche Energiebedarf. Der Energiebedarf kann noch weiter gesenkt werden, wenn keine Energie für die Ausdehnung einer Membran, eines Membran-Begasers oder für die Überwindung der Reibungswiderstände bei Durchströmen der Wand eines Keramik-Begasers nötig ist. Dieser Energieverbrauch kann mit der hier beschriebenen Vorrichtung vermieden werden, wenn die beschriebenen Voraussetzungen zur Vermeidung der Koaleszenz, nämlich der Mindestabstand der Auslasselemente, die Austrittsfolge der Gasblasen aus den Austrittsöffnungen, die Form der Austrittsöffnungen sowie die Einstellung eines maximalen Volumenstroms bei einer Öffnung mit Koaleszenzrisiko wie einer Hohlnadel mit seitlicher Austrittsöffnung erfüllt ist. Es ist ein wesentliches Element der Vorrichtung, dass der Volumenstrom des Gases oder Gasgemisches im eindeutigen Unterschied zu herkömmlichen Membran- und Keramik-Begasern oder zu Lochblechen so eingestellt werden kann, dass zum einen Koaleszenz verhindert wird und zum anderen der einzutragende Volumenstrom des Gases oder Gasgemisches so fein aufgelöst und verteilt wird, dass eine minimale Blasenmenge weil optimale Blasengröße gefördert und eine maximale weil optimale Kontaktfläche zwischen der eingetragenen Menge des Gases bzw. Gasgemisches erreicht wird. Mit dieser Konstellation und Verknüpfung aller beschriebenen Bedingungen kann erfindungsgemäß das Energieoptimum für den Eintrag von Gasen und Gasgemischen in Flüssigkeiten erreicht werden.
• Um diese optimalen Bedingungen zu erreichen, ist eine optimale Anordnung aller Austrittselemente in dem Abdeckelement Voraussetzung. In vorteilhafter Weise weist dazu das Abdeckelement, d. h. der Formkörper oder der monolithische Festkörper zumindest eine dreidimensionale Oberfläche auf, die aus triangular und/oder konvex ausgestalteten Formelementen gebildet ist, um dadurch zumindest den Austrittsort und die Austrittsmenge eines Gases, Gasgemisches oder Fluides aus dem Begaser in die Flüssigkeit für einen energieoptimalen Eintrag des Gases, Gasgemisches oder Fluides in die Flüssigkeit einzustellen. Eine dreidimensionale Oberfläche weist im Gegensatz zu einer zweidimensionalen Oberfläche bei gleichen Außenmaßen des Abdeckelements eine größere Fläche auf, auf der verteilt eine größere Anzahl von Auslasselementen angeordnet werden kann. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Formelemente im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet oder aneinandergrenzend angeordnet sind, damit nicht Gasbläschen, die über einem Formelement aufsteigen mit Gasbläschen, die über einem anderen Formelement aufsteigen, miteinander koaleszieren.
• Damit die Gasbläschen über den Formelementen, bzw. an den Formelementen aufsteigen, sind die Auslasselemente bevorzugt in Flanken der triangularen Formelemente oder in Bögen der konvex und/oder konkav ausgestalteten Formelemente ausgestaltet. Dabei können die Auslasselemente an den Flanken oder den Bögen eines Formelements parallel zueinander, in unterschiedlichen Höhen an den Flanken, oder auch versetzt, d. h. auf unterschiedlichen Höhen an den Flanken oder Bögen ausgestaltet sein. Auch die Beabstandung zwischen zumindest zwei Auslasselementen und zwischen den Flanken oder Bögen eines Formelements kann entlang der Formelemente variieren.
• In besonders bevorzugter Weise sind dazu die Auslasselemente als die Flanken und/oder die Bögen durchgreifende Löcher ausgestaltet, die wie bereits für die das Abdeckelement durchgreifenden Löcher beschrieben, die gleichen Eigenschaften aufweisen.
• Damit die über die Auslasselemente in den Flanken ausgetragenen Gasbläschen nicht an der Wandung der Flanken oder Bögen haften, weisen die Flanken bevorzugt einen Steigungswinkel zwischen 0° bis 89° zu einer horizontalen Ebene parallel zu der Oberseite der Druckkammer auf. Besonders bevorzugt weisen die Flanken einen Steigungswinkel von 60° zu einer horizontalen Ebene parallel zu der Oberseite der Druckkammer auf. Für die Bögen gilt bevorzugt ein Bogenmaß zwischen 1° bis 360°, insbesondere von 180°. Natürlich können die Bögen auch wie bei einem Sinuskurvenverlauf einander angeordnet sein, wobei zumindest ein konvexer Bogen in einen konkaven Bogen durch Richtungsänderung der Krümmung übergeht.
• Insgesamt bietet sich durch die Ausgestaltung von Formelementen an oder mit dem Abdeckelement an, das die als Flanken oder Bögen von einem zur Horizontalen bzw. zur Oberseite der Druckkammer parallelen Abschluss abweichen, d. h. zu der Oberseite der Druckkammer beabstandet sind. Die Auslasselemente und bevorzugt die Löcher können eine glatte oder raue Wandung aufweisen. Durch die Auswahl einer glatten oder rauen Wandung kann eine bestimmte Form und Größe der austretenden Bläschen, die Abstoßkraft, mit der die Bläschen ausgelassen werden, ihre Bewegungsbahn und ihre Geschwindigkeit realisiert werden. Die angepasste Steigung der Flanken oder das Bogenmaß bzw. die Krümmung kann dazu dienen, die Aufenthaltszeit der Bläschen in der Flüssigkeit optimal zu erhöhen. So kann die Austrittsrichtung der Bläschen bestimmt werden, sodass aufeinanderfolgende aus einem Auslasselement austretende Bläschen sich zunächst in eine andere von der vertikalen Richtung abweichende Richtung bewegen als die zuvor ausgetretenen, bevor sie nach oben steigen. Damit kann vermieden werden, dass die Bläschen aufeinander treffen, koaleszieren und sich größere Gasblasen bilden, die einen niedrigeren Widerstand gegen Auftrieb als zwei separate kleinere Bläschen aufweisen. Der negative Effekt der Koaleszenz kann somit überwunden werden.
• Natürlich kann auch die Öffnung der Auslasselemente, d. h. die Austrittsöffnung der Auslasselemente entscheidend zur Vermeidung einer Koaleszenz von Gasblasen sein, weshalb die Öffnung als Gasaustrittsbereich in Form eines Schlitzes, einer rechteckigen Öffnung, einer Bohrung oder dergleichen ausgebildet sein kann. Die Weite der Öffnung, vorzugsweise als Innendurchmesser des Auslasselements angegeben, dient nicht zur Dimensionierung eines Begasers, sondern um die für den jeweiligen Einsatzzweck energetisch optimale Blasengröße zu erzeugen. Ist bekannt, welche Blasengröße optimal ist, erfolgt die Festlegung der Anzahl der Auslasselemente. So kann je nach Einsatzzweck bei gleichem gefördertem Volumenstrom des Gases oder Gasgemisches vorzugsweise ein anderer Innendurchmesser oder eine andere Fläche für die Anordnung der Auslasselemente und Form der Austrittsöffnung gewählt werden. Ebenso können auf einer Oberseite Auslasselemente vorzugsweise mit verschiedenen Innendurchmessern oder eine andere Fläche und Form der Austrittsöffnung eingesetzt werden, um bei verschiedenen Volumenströmen Blasen unterschiedlicher Größen zu erzeugen. Der Abstand der Auslasselemente kann sowohl in Längs- als auch in Querrichtung sowohl gleichmäßig als auch ungleichmäßig sein und ab 0,1 mm beginnend jede für den jeweiligen Einsatzzweck benötige Länge annehmen.
• Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Einbringen eines Gases oder eines Gasgemisches in eine Flüssigkeit vorgesehen, die eine Druckkammer aufweisen kann, die erforderlich ist, damit das Gas oder das Gasgemisch den hydrostatischen Druck, der über der Druckkammer stehenden Wassersäule und den in den Auslasselementen vorhandenen Reibungswiderstand überwinden und aus der Druckkammer in die Flüssigkeit eintreten kann. Die Druckkammer kann dabei eine Begaserwanne oder ein geschlossenes Bodenblech aufweisen, wobei das Abdeckelement eine Oberseite und die Begaserwanne oder ein geschlossenes Bodenblech eine Unterseite der Druckkammer bilden kann. Zum Zuführen des Gases oder des Gasgemisches in die Druckkammer kann eine Zuluft-Medienleitung vorgesehen sein. Zum Abführen der Flüssigkeit aus der Druckkammer kann eine Entwässerungsleitung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise sieht die Erfindung Auslasselemente für das Gas, Gasgemisch oder Fluid vor. Zwischen dem Abdeckelement und der Begaser wanne ist in vorteilhafter Weise eine Dichtung vorgesehen, die eine Abdichtung zwischen der Begaserwanne und dem Abdeckelement bildet, damit Gas oder Gasgemische nicht zwischen der Begaserwanne und dem Abdeckelement aus der Druckkammer entweichen können.
• Um einen erwünschten Anpressdruck zwischen dem Abdeckelement und der Begaserwanne erzielen zu können, um darüber die Dichtung abdichtend zwischen dem Abdeckelement und der Begaserwanne halten zu können, ist das als Formkörper oder als monolithischer Festkörper ausgestaltete Abdeckelement kraftschlüssig oder formschlüssig und besonders bevorzugt kraft- und formschlüssig mit der Begaserwanne verbunden. In besonders vorteilhafter Weise kann die Begaserwanne mit dem Abdeckelement über eine Dichtungsmasse, die gleichzeitig ein Zusammenkleben, d. h. eine kraftschlüssige Verbindung der Begaserwanne mit dem Abdeckelement bewirkt, auch stoffschlüssig verbunden sein. Für die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Begaserwanne und dem Abdeckelement dienen besonders bevorzugt Befestigungselemente, wie beispielsweise Schrauben und deren Gegenhaltemittel, wie beispielsweise Schraubgewinde oder Gegenhaltemuttern. Zudem kann in bevorzugter Weise das Abdeckelement invers an der Begaserwanne befestigt sein, d. h. mit der Oberfläche des Formkörpers oder des monolithischen Festkörpers, die die triangular und/oder konvex und/oder konkav ausgestalteten Formelemente enthält, zur Druckkammer hin ausgerichtet sein. Die dann zur Flüssigkeit hin anliegende flache Oberfläche des Abdeckelementes kann dadurch besser gereinigt werden.
• Die erfindungsgemäße Druckkammer kann vorteilhafterweise selbstentleerend sein. Wenn die Vorrichtung nicht in Betrieb ist, kann die Druckkammer durch die Auslasselemente mit Flüssigkeit gefüllt werden. Durch Schaffen eines leichten Überdrucks in der Druckkammer kann die eingetretene Flüssigkeit zum Teil durch die Auslasselemente und zum Teil durch die Entwässerungsleitung mit niedriger Nennweite aus der Druckkammer befördert werden. Hierbei wird kurzfristig ein Überdruck in der Druckkammer erzeugt und gleichzeitig beispielsweise eine bei Trockenlauf verschleißfreie Schlauchpumpe in Betrieb gesetzt. Durch den Überdruck in der Druckkammer und den gleichzeitig aufgebauten Unterdruck in der Entwässerungsleitung füllt diese sich auch wegen ihrer geringen Nennweite schnell mit der Flüssigkeit in der Druckkammer. Der Druck in der Druckkammer setzt sich aus dem Druck zur Überwindung des hydrostatischen Drucks und zur Überwindung der Reibungsverluste in den Auslasselementen zusammen. Dieser Druck steht auch auf der Entwässerungsleitung und wird durch den Überdruck erhöht, wodurch die Pumpe nach Vollfüllung der Entwässerungsleitung mit der Flüssigkeit aus der Druckkammer lediglich über die Höhe zwischen der Flüssigkeitsspiegellage und dem Ansaugpunkt der Pumpe heben muss. Bei Aufbau eines hohen Überdrucks in der Druckkammer und einer nur geringen Höhendifferenz zwischen Flüssigkeitsspiegellage und Austrittshöhe der Entwässerungsleitung, die dem Ausgangspunkt der Pumpe entspricht, bei ausreichendem Überdruck und einer Entwässerungsleitung mit niedriger Nennweite kann die Druckkammer unter diesen Bedingungen auch selbstentleerend bis auf einen Rest aus der Leitung nach Abschluss des Entleerungsvorgangs sein.
• Der Eintritt von über der Druckkammer stehender Flüssigkeit durch die Auslasselemente in die Druckkammer kann dauerhaft vermieden werden, wenn zwischen dem Beginn einer Betriebsunterbrechung und der Wiederinbetriebnahme des Eintrags eines Gases oder Gasgemisches konstant ein Druck von mindestens mehr als 1 mbar in der Druckkammer aufrechterhalten werden kann.
• Zum Einstellen eines gewünschten Druckes des Gases oder Gasgemisches in der Druckkammer kann ein Kompressor vorgesehen sein, um einen gewünschten Druck des Gases oder Gasgemisches in der Druckkammer zu erreichen.
• Ebenfalls ist es von Vorteil, dass die Vorrichtung durch die Entwässerungsleitung rückspülbar ist. Hierbei kann die Flüssigkeit bei einem entsprechenden Überdruck durch die Auslasselemente ausgespült werden und die in den Auslasselementen festgesetzten Schmutzpartikel mitreißen. Zum Zuführen des Gases oder des Gasgemisches durch die Zuluft-Medienleitung sowie zum Rückspülen durch die Entwässerungsleitung kann jeweils eine Pumpe vorgesehen sein.
• Nach der vorliegenden Erfindung entfällt die Notwendigkeit, komplizierte Strukturen wie Membran-Begaser oder Keramik-Begaser zum Eintragen eines Gases oder Gasgemisches in eine Flüssigkeit zu öffnen bzw. zu schließen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit energiesparend benutzt werden. Die Vorrichtung kann am Einsatzort, in der Flüssigkeit und ohne Herausnehmen, ein- und ausgeschaltet werden. Sie kann unproblematisch entlüftet werden und gereinigt werden. Bei Verwendung eines säureresistenten und/oder hitzeunempfindlichen Materials für das Abdeckelement und gegebenenfalls für die Auslasselemente können Reagenzien wie Essigsäure oder Heißdampf zur Reinigung benutzt werden.
• Bei Keramik-Begasern ist nicht definierbar, welche Gasmenge zu welchem Zeitpunkt mit welchem Volumen aus einer Begaserpore dringt. Ebenso ist bei Membran-Begasern nicht definierbar, welche Gasmenge zu welchem Zeitpunkt mit welchem Volumen aus dem Schlitz der Membran dringt; die Schlitze öffnen bzw. schließen druckabhängig, wodurch aufgrund der Zustandsgleichung der Gase mit schwankenden Drücken aber konstanten Umgebungstemperaturen auch die Volumina des geförderten Gases oder Gasgemisches variieren, die aus einzelnen Schlitzen entweichen.
• Im Unterschied hierzu kann mit der hier beschriebenen Vorrichtung gemessen werden, welches Volumen eines Gases oder Gasgemisches an welcher Stelle zu welchem Zeitpunkt in eine Flüssigkeit eingebracht wird. Der eingetragene Volumenstrom verteilt sich auf die Anzahl der an oder in dem Abdeckelement ausgestalteten Auslasselemente. Da für jedes Auslasselement die gleichen Zustandsbedingungen für Druck und Temperatur in der Druckkammer herrschen, strömt durch jedes Auslasselement zu jedem Zeitpunkt dasselbe Volumen. Die Koordinaten einer Austrittsöffnung eines jeden einzelnen Auslasselementes lassen sich beim Eintrag eines Gases oder eines Gasgemisches lagegenau sowohl in der Fläche als auch im Raum festlegen. Damit kann auch die Konzentration eines Gases oder eines Gasgemisches am Eintragsort im Flüssigkeitskörper bestimmt werden. Durch die näherungsweise Bestimmung der Konzentration am Eintragswort kann der erforderliche Volumenstrom des Gases oder Gasgemisches jederzeit bedarfsbestimmt bzw. bedarfsabhängig eingestellt werden, wodurch die Förderung nicht erforderlicher Volumina unterbunden und keine Energie für die nicht erforderlicher Volumina verbraucht wird. Durch die Kopplung von mindestens zwei Druckkammern in einem Reaktor oder einer Flüssigkeit kann die erforderliche Konzentration eines Gases oder eines Gasgemisches im Bereich der jeweiligen Druckkammer eingestellt oder der für eine Durchmischung erforderliche Volumenstrom gezielt eingestellt werden. Dies ist vor allem dann von Interesse, wenn durch ständige Schwankungen von Konzentrationen, wie sie bei der biologischen Abwasserreinigung alltäglich sind, mit dem Eintrag von Gasen oder Gasgemischen zur Versorgung der Mikroorganismen für ihren Stoffwechsel eine der schwankenden Schmutzkonzentration äquivalente Versorgung mit technisch reinem Sauerstoff bzw. Luft bedarfsgerecht und damit energieoptimal eingestellt werden kann. Dem Koppeln bzw. dem Zusammenschalten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Vergrößerung der Fläche zum Einbringen des Gases oder Gasgemisches, d. h. zur Erhöhung der Konzentration des Gases oder Gasgemisches in der Flüssigkeit sind dabei keine Grenzen gesetzt.
• Ebenso kann an der Eintrittsöffnung der Auslasselement, d. h. innerhalb der Druckkammer entweder ein Magnetventil installiert werden oder alternativ ein Schlauch, der die Eintrittsöffnung mit dem zugehörigen Magnetventil verbindet oder mehrere Schläuche von mehreren Eintrittsöffnungen, die in einem Schlauch zusammengeführt und an nur ein Magnetventil angeschlossen werden. Die Versorgungs- und Steuerleitungen für die Magnetventile werden bevorzugt an der Unterseite der Oberseite bzw. an der Oberseite oder an den Seitenwänden der Druckkammer und über die Zuluft-Medienleitung und/oder über die Entwässerungsleitung in die Druckkammer geführt.
• Die Versorgungs- und Steuerleitungen für die Magnetventile sowie die Entwässerungsleitung werden in vorteilhafter Weise in einer Medienleitung zusammengeführt, die separat an die Druckkammer angeschlossen werden kann.
• Falls erforderlich können durch die Bauart des Begasers selbsttragende Abdeckelemente mit unterschiedlicher Bestückung mit Auslasselementen oder Formelementen kurzfristig gegen andere selbsttragende Abdeckelemente, jedoch mit einer anderen Bestückung und Anordnung mit Auslasselementen und Formelementen ausgetauscht werden. Dieser Austausch wird dadurch erleichtert, dass die Begaser bauartbedingt nicht gegen Auftrieb gesichert werden brauchen, jedoch so ausgelegt sind, dass ihr Gewicht näherungsweisen dem von ihnen umschlossenen Hohlraum entspricht, so dass sowohl ein Heben als auch ein Absenken mit einfachen Hebezeug möglich ist. Dies bietet sich vor allem dann an, wenn durch konstruktive Änderungen oder Bedarfsänderungen Begaser mit anderen Durchsatzleistungen oder anderen Anordnungen der Auslasselemente oder einer anderen Anzahl von Auslasselementen und/oder Formelementen gegen die vorhandenen Begaser auszutauschen sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Begaser bauartbedingt nach der Herausnahme aus einem Reaktor oder einem Gewässer oder einer Flüssigkeit mit dem Ziel des Austausches von Begasern mit anderer Leistungsfähigkeit an anderer Stelle weiter verwendet werden können, wodurch im Unterschied zu nicht wieder zerstörungsfrei einsetzbaren Membran- und Keramik-Begasern eine nachhaltige Schonung von Rohstoffen und Energie aus der einmaligen Herstellung und vielfach möglichen Wiederverwertung erzielt wird.
• Da die erfindungsgemäße Vorrichtungen die Bedingungen der intensiven Verteilung des Volumenstroms eines Gases oder Gasgemisches zum Zeitpunkt seines Eintritts in die Flüssigkeit auf eine Vielzahl von Auslasselementen mit der Vermeidung der Koaleszenz von Gasblasen während ihres Aufstiegs in der Flüssigkeit miteinander verbindet, ist der zu fördernde Volumenstrom eines Gases oder Gasgemisches geringer als beim Eintrag mit einem Membran-Begaser oder Keramik-Begaser, um die notwendige Menge eines Gases oder Gasgemisches in die Flüssigkeit einzutragen. Im Unterschied zu Membran- oder Keramik-Begasern ist beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung nahezu nur Druck und damit Energie zur Überwindung des für alle Begasertypen gleichermaßen vorhandenen hydrostatischen Drucks erforderlich.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist erst bei einem großen Volumenstrom eines Gases oder Gasgemisches ein höherer Druck in der Druckkammer und den Auslasselementen zu überwinden. Der Druck und damit der mit dem Druck korrespondierende Energiebedarf kann durch die Anordnung mehrerer Begaser auf den Energiebedarf bei energieoptimalen Fördermengen optimiert werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise an unterschiedlichen Orten oder in verschiedenen Gewässern stationär installiert werden. Sie erfordert dabei keinen komplizierten Aufbau. Dies kann sie besonders geeignet für nachfolgend genannte mögliche Anwendungsbereiche der Erfindung und viele weitere Anwendungsbereiche machen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Einbringen eines Gases oder eines Gasgemisches in mit Flüssigkeiten, insbesondere mit Wasser, teilweise oder vollständig gefüllte Reaktoren, in natürlichen und in künstlichen Gewässer eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dauerhaft stationär am Boden eines teilweise oder vollständig gefüllten Reaktors oder auf dem Grund eines natürlichen und künstlichen Gewässers eingebracht werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem Reaktor mobil betrieben werden, um die beiden verfahrenstechnischen Prozesse des Einbringens des Gases in eine Flüssigkeit unter die Verteilung des Gases innerhalb der Flüssigkeit, die heute üblicherweise durch energieintensive Rührwerke oder Umwälzpumpen vorgenommen wird, so miteinander kombinieren, dass durch die kontinuierliche Einbringung des Gases oder Gasgemisches durch Gleiten über den Beckenboden des Reaktors die aus den Auslasselementen austretenden Gasblasen gleichzeitig auch den Wasserkörper so durchmischen, dass die eingetragenen Gasblasen gleichmäßig im Wasserkörper verteilt werden. Hierzu wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an ein mindestens zweiachsiges Fahrgestell gehängt, dass auf den Seitenrändern des Reaktors bewegt wird. Das Fahrgestell kann sowohl auf dem Rand eines runden, quadratischen oder länglichen Reaktors kontinuierlich betrieben werden und auf dem Rand eines runden, quadratischen oder länglichen Reaktors bei Erreichen eines Beckenendes durch Umschaltung zurück zum gegenüberliegenden Beckenende fahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann hierbei in einer Lage unmittelbar über den Beckenboden und in einer anderen Lage über dem Beckenboden oder in mehreren Lagen über den Beckenboden geführt werden.
• Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbauen einer Konzentration von Gasen oder Gasgemischen in mit Flüssigkeiten, insbesondere mit Wasser, teilweise oder vollständig gefüllten Reaktoren, in natürlichen und in künstlichen Gewässern oder zum Erhöhen der bereits vorhandenen Konzentration von Gasen oder Gasgemischen genutzt werden.
• Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bauartbedingt bereits kleine und sehr kleine Bläschen erzeugt, ist sie besonders für Reaktoren geeignet, in die ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Fluid mit Druck in eine Flüssigkeit eingebracht werden kann, um eine gleichmäßige Verteilung des Gases oder Gasgemisches mit dem Ziel einer Übersättigung des Gases oder Gasgemisches im gesamten Flüssigkeitskörper, um dann durch plötzliche Entspannung einen sofortigen Aufstieg der Gasblasen auszulösen, wobei die Gasblasen wegen ihrer geringen Größe auch feinste Partikel aus der Flüssigkeit mit an die Oberfläche der Flüssigkeit reißen, um so den hohen Energieaufwand bei Verfahren wie der Entspannungsflotation mit Lochblechen zu minimieren.
• Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung. insbesondere durch ihren geringen Energiebedarf zum Reduzieren der Dichte der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, in einer Steigleitung durch den Dichteunterschied des Gas-Flüssigkeits-Gemisches in der Steigleitung und der Flüssigkeit mit einer höheren Dichte außerhalb der Leitung verwendet werden, sodass die Flüssigkeit in der Steigleitung mit einem niedrigeren Energieverbrauch gegenüber Membran- und Keramik-Begasern gefördert wird.
• Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung. insbesondere durch ihren geringen Energiebedarf. zum Austauschen der Flüssigkeit oberhalb des Auslasselementes mit der Flüssigkeit im Umfeld des Auslasselementes, insbesondere durch einen Dichteunterschied zwischen einer mit Gas oder Gasgemisch durchsetzten Flüssigkeitssäule und einer gasfreien oder nicht mit gelösten Gasen oder Gasgemischen durchsetzten Flüssigkeitssäule, in Gebrauch genommen werden.
• Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere durch ihren geringen Energiebedarf, zum Bilden eines Blasenschleiers, der als Barriere zur Ausbreitung von Schall einsetzbar ist, zum Einsatz kommen.
• Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere durch ihren geringen Energiebedarf durch dauerhaftes Gleiten kleiner Blasen über sich dauerhaft unter Wasser befindlichen Flächen und die dabei wirkende Reibung der Vielzahl kleiner Blasen an den Flächen zur Verhinderung der Bildung von Bewuchs oder zum Abtrag von bereits vorhandenem Bewuchs zum Einsatz kommen.
• Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum biologischen Abbau von Schmutzstoffen in Flüssigkeiten effizient und dauerhaft Anwendung finden.
• Um den Austritt von Gasblasen aus den Austrittsöffnungen der Auslasselemente und den Weg der Gasblasen beim nachfolgenden Aufstieg beispielsweise mit Hochgeschwindigkeitskameras besser erfassen bzw. aufzeichnen zu können, kann das Abdeckelement aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt werden, durch das Licht mit derselben Wellenlänge oder mit unterschiedlichen Wellenlängen aus dem gesamten Farbspektrum aus der Druckkammer strahlt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise besonders geeignet, in den biologischen Kläranlagen den Stickstoff energieoptimal zu eliminieren. Im klassischen Verfahren werden Ammonium NH4 Ammoniak NH3 durch Eintrag von Sauerstoff, der in Abwasser in Lösung geht, von Mikroorganismen zu Nitrit NO3 oxidiert. Dies geschieht in einem separaten Bereich eines Reaktors. In einem weiteren Teil des Reaktors wird der Sauerstoff von Mikroorganismen vom Nitrit NO3 abgespalten und es bildet sich der elementare Stickstoff N2. Bei diesem Prozess der Reduktion des Nitrit NO3 zu Stickstoff N2 darf kein gelöster Sauerstoff im Abwasser vorhanden sein. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, nur so viel Sauerstoff mit der atmosphärischen Luft in den Reaktor einzutragen, dass dieser Sauerstoff, sofort, nachdem er in Lösung gegangen ist, von den Mikroorganismen verwertet wird. Zwar ist noch eine geringe Menge gelösten Sauerstoffs im Abwasser, jedoch sind die Mikroorganismen, die NO3 zu N2 reduzieren gezwungen, den am Nitrit NO3 gebundenen Sauerstoff zu verwerten. Um die Versorgung der Mikroorganismen bei der Reduktion von Nitrit NO3 zu Stickstoff N2 ausreichend mit Abwasserinhaltsstoffen versorgen zu können, wird das Abwasser durch Rührwerk oder Umwälzpumpe konstant durchmischt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Gas in eine Flüssigkeit, ein Gas in ein Gas, oder eine Flüssigkeit in ein Gas eingetragen, wobei gleichzeitig durch Turbulenzen die Flüssigkeit oder das Gas durchmischt wird. Mit der Durchmischung des Abwassers durch den Eintrag auch geringer Mengen von Sauerstoff ist der Betrieb von Rührwerken oder Umwälzpumpen zur Durchmischung nicht mehr erforderlich. Gleichzeitig kann der bei dem klassischen Verfahren der Stickstoffelimination übliche erhebliche Sauerstoffüberschuss in einem Reaktor reduziert werden. Das kombinierte Verfahren der Nitrifikation und der Denitrifikation führt zu einem geringeren erforderlichen Reaktionsraum, da die beiden Prozesse nicht mehr in verschiedenen Bereichen eines Reaktors ablaufen müssen und der Energieeinsatz für die Durchmischung mit Rührwerken oder Umwälzpumpen kann vermieden werden.
• Gase und Gasgemische können trocken, teilweise oder vollständig gesättigt sein. Weiterhin kann sich Wasser unter hohen Temperaturen und hohem Druck als Dampf in einem gasförmigen Aggregatzustand befinden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise zum Einbringen von Gasen und Gasgemischen in ihrem jeweiligen Aggregat- und Sättigungszustand in Flüssigkeiten geeignet sein.
• Die Vorrichtung kann sowohl für den Eintrag von Gasen und Gasgemischen in Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemische, von Gas oder Gasgemischen in Gase oder Gasgemische, als auch für den Eintrag von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen in Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen eingesetzt werden, in dem die Druckkammer mit einer Flüssigkeit bzw. einem Fluid beaufschlagt wird.
• Ebenso ist es möglich, die Druckkammer in mehrere Segmente zu teilen, die einzeln mit Gas bzw. mit einem Gasgemisch und mit einer Flüssigkeit bzw. einem Fluid beaufschlagt werden und oberhalb der Druckkammer durchmischt werden können.
• Vorzugsweise kann die Vorrichtung als Wärmetauscher eingesetzt werden, indem Dampf oder ein heißes Gas oder eine heiße Flüssigkeit aus der Druckkammer durch die Auslasselemente und/oder durch eine Tauscherkammer in eine darüber liegende Kammer geführt wird. In der Tauscherkammer kann eine Flüssigkeit oder ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Fluid im Querstrom geführt werden.
• Ein weiteres Einsatzgebiet der Vorrichtung ist die Vermeidung des Bewuchses von Gegenständen im Wasser mit Moos oder mit Algen. Durch das konstante Gleiten von Gasen oder Gasgemischen über die sich unter Wasser befindlichen Flächen der Gegenstände wird der Bewuchs verhindert oder vorhandener Bewuchs von den Gasblasen abgetragen und es sind keine Chemikalien erforderlich. Dies gilt u. a. auch für die in der biologischen Abwasserbehandlung eingesetzten Membrananlagen. Auf Grund der nicht erforderlichen konstanten Begasung der Gegenstände und Flächen – mit Ausnahme der Membrananlage – kann eine solche Anlage wegen des geringen Energiebedarfs mit Solarstrom versorgt werden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, nämlich ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Abdeckelement für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit möglichst kleinen Auslasselementen reproduzierbar herstellbar ist, wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Abdeckelements für eine Vorrichtung zum Einbringen eines Fluides aus der Vorrichtung in ein die Vorrichtung umgebendes Fluid, insbesondere für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, gelöst, wobei unabhängig davon, wie viele Verfahrensschritte benötigt werden, das Produkt der Verfahren gleich ist, wobei beispielsweis ein Abdeckelement, welches zumindest eine Oberfläche mit mindestens zwei Formelementen aufweist, die wiederrum eine Vielzahl von Auslasselementen aufweisen.
• Dabei sieht das Verfahren in einer alternativen Ausführung zur Ausgestaltung des Abdeckelementes als Formkörper die folgenden Verfahrensschritte vor:
• – Herstellung eines Ur-Modells, das im Wesentlichen identisch zu der Form der des Abdeckelements ist,
• – Abformung des Ur-Modells zur Erstellung einer Negativform als Gießform für das Abdeckelement,
• – Einsetzen von Platzhalterelementen zur Ausgestaltung der Auslasselemente in oder an der Negativform,
• – Erstellung des Abdeckelements durch Auftragen einer aushärtbaren Gießmasse auf die Negativform,
• – Entfernen des erstellten Abdeckelements von der Negativform.
• Bei diesem Verfahren wird zuerst ein Ur-Modell hergestellt, welches bezüglich der Formelemente und dessen Ausrichtung identisch mit dem herzustellenden Abdeckelement ist. Das Ur-Modell kann dabei vorzugsweise aus POM Polyoxymethylan, auch Polyacetal oder kurz Acetal (Handelsname u. a. Delrin), PVC Polyvinylchlorid, Teflon PTFE Polytetrafluorethylen, PA Polyamide, Pertinax Faserverbundwerkstoff (Hartgewebe), Aluminiumlegierungen, Messinglegierungen, Gießkeramik (als Rohling), Titanlegierungen oder anderen Hart- oder Weichkunststoffen oder Kunststoffverbindungen als auch Metall- oder Metalllegierungen oder Metall-Kunststofflegierungen hergestellt sein.
• An den Herstellungsschritt des Ur-Modells schließt sich der Schritt der Abformung des Ur-Modells an, wobei die Gießform für das Produkt, nämlich für das Abdeckelement entsteht. Somit entsteht bei der Abformung des Ur-Modells eine Negativform für das Abdeckelement, an der die Formelemente invers zu den Formelementen des Ur-Modells und des Abdeckelement ausgerichtet sind. Als Material für die Negativform dient vorzugsweise Silikonkautschuk, additionsvernetzend (geringe Schrumpfung), Silikonkautschuk, kondensationsvernetzend (größere Schrumpfung möglich), Polyurethankautschuk oder andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften.
• Unter Verwendung der Negativform wird eine Gießform für das Abdeckelement vorbereitet, indem an den Positionen der Auslasselemente Platzhalterelemente in oder an die Negativform eingesetzt oder angesetzt werden. Als Platzhalterelement kann beispielsweise ein Draht, wie beispielsweise ein Dentaldraht, Flexinol (Muskeldraht), ein Bronzedraht, ein Silberdraht, Klavierdraht, ein Konstantandraht, ein Federstahldraht, ein Wolframdraht, Basaltdraht oder ein Edelstahldraht dienen. Ein weiteres Platzhalterelement kann beispielsweise eine monofile oder polyfile Angelschnur sein. Auch kann bevorzugt eine Glasfaser oder eine Litze als Platzhalterelement zur Ausgestaltung der als Löcher gebildeten Auslasselemente dienen. Ganz besonders bevorzugt kann auch eine aus einer Glaskanüle oder -pipette gezogene Spitze als Platzhalterelement zur Ausgestaltung der als Löcher gebildeten Auslasselemente dienen. In einer besonders bevorzugten Weise kann dabei die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen in der Negativform platziert werden, indem ein vorzugsweise als Hohlkörper ausgestaltetes Führungselement, beispielsweise eine Kanüle an den Platzierungen der Drähte durch die Negativform geschoben wird, durch die die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen geführt werden. Nachdem die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen durch die Kanülen geschoben wurden, werden die Kanülen entfernt und das Material der Negativform zieht sich haltend um die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen zusammen. Die so in die Negativform eingebrachten Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen werden vorzugsweise vor dem Gießen der Gießmasse für das Abdeckelement gespannt. Das Spannen der Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen kann beispielsweise durch zwei sich in überkreuzender Richtung geführte Kämme erfolgen, die durch Scherung die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen einspannen und so mit den Kämmen relativ zu der Oberfläche der Negativform wegbewegt werden, d. h. orthogonal zu der Oberfläche gespannt werden. Natürlich können die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen auch schräg zu der Oberfläche der Negativform in einem Winkel von beispielsweise 45° abgespannt werden, aber zumindest in einem Winkelbereich zwischen vorzugsweise 1° bis 90°.
• In vorteilhafter Weise wird vor dem Gießschritt, der nachfolgt, ein Trennmittel auf die Negativform aufgetragen, um eine Trennung, d. h. ein Entfernen des Gießproduktes von der Negativform zu erleichtern. Als Trennmittel kann in vorteilhafter Weise ein siliconfreies oder ein siliconhaltiges Trennmittel verwendet werden, welches auf die Negativform, d. h. auf die Gießform gesprüht, in flüssiger Form, als fließfähige Paste oder pastös aufgetragen wird.
• Nach dem Gießen einer aushärtbaren Gießmasse, wie beispielsweise einer Polyurethanharzverbindung, einer Epoxidharzverbindung, einer Polyesterharzverbindung oder einer Kombination aus mindestens zwei dieser Harzverbindungen und entsprechenden Zusatzmitteln, wie Reaktionsverdünner, Aushärter und Weichmacher, wird während des Aushärtens oder nach dem Aushärten das Gießprodukt, nämlich das Abdeckelement aus der Gießform genommen, d. h. von der Negativform entfernt. Insgesamt sind sämtliche Kunststoff- oder Metallverbindungen denkbar, die sich in einem Gieß- oder Formprozess mit und ohne Vakuum zu einem Formkörper ausbilden lassen, der als Abdeckelement ausgestaltet ist. Natürlich kann ein als Formkörper ausgestaltetes Abdeckelement auch ein aus einer Gießkeramik oder einem Siliziumoxid hergestelltes keramisches oder Glas Abdeckelement sein. Die so ausgestalteten Abdeckelemente eignen sich insbesondere aufgrund ihrer glatten Oberflächen für eine besonders gute Reinigung.
• Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines als Formkörper ausgestalteten Abdeckelements ist das Ur-Modell als Negativform zu dem Gießprodukt, nämlich zu dem Abdeckelement ausgestaltet und kann direkt als Gießform für das Gießmodell, nämlich als Abdeckelement, wie für das andere Verfahren bereits beschrieben, vorbereitet und verwendet werden.
• Anders als bereits für das erste Verfahren beschrieben, können die Drähte, Schnüre, Fäden, Fasern oder Litzen auch ohne durch die Negativform geführt zu werden an der Oberfläche der Negativform mit der Negativform verbunden sein, beispielsweise durch Anschweißen oder Verkleben.
• Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, das Ur-Modell oder auch das Abdeckelement durch Bearbeitung eines monolithischen Festkörpers herzustellen. Dabei können beispielsweise die Auslasselemente durch Bohrungen durch den Festkörper ausgebildet werden. Die Formelemente können durch Abtragen von Material beispielsweise durch Fräsen oder Schleifen aus dem Material herausgearbeitet werden. Platzhalterelemente können wie bereits beschrieben in Form von Drähten, Schnüren, Fäden, Fasern oder Litzen an der Oberfläche des Abdeckelements befestigt sein, beispielsweise durch Anschweißen oder Verkleben.
• Weitere Öffnungen oder Durchgänge, beispielsweise für die Zuluft-Medienleitung oder die Entwässerungsleitung können durch Platzhalterelemente vor dem Gießen berücksichtigt werden oder durch Bearbeitung, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen, nachträglich in dem Formkörper oder dem monolithischen Festkörper ausgestaltet werden.
• In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens, kann das Abdeckelement aus einem monolithischen Festkörper in Form einer Metallplatte ausgestaltet werden, wobei die Auslasselemente mittels eines Lasers in das Abdeckelement geschossen werden.
• Um Wiederholungen bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Abdeckelemente zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu der vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
• Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten und in den Figuren gezeigten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Abdeckelement mit triangular ausgestalteten Formelementen,
• 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1,
• 3 eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung,
• 4 eine schematische Schnittansicht einer Negativform mit in durchgeführten Führungselementen eingeführten Platzhalterelementen,
• 5 eine schematische Schnittansicht eines Abdeckelements mit gewölbten Formelementen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
• 6 eine schematische Schnittansicht einer Negativform mit an der Oberfläche befestigten Platzhalterelementen.
• In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Einbringen eines Fluides 2, welches vorliegend als Gas oder Gasgemisch dargestellt ist. Das Fluid 2 gelangt aus der Vorrichtung 1 in ein die Vorrichtung 1 umgebendes Fluid 3, welches vorliegend eine Flüssigkeit ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Druckkammer 10 dessen Oberseite ein Abdeckelement 11 bildet. Die Unterseite der Druckkammer 10 bildet eine Begaserwanne 12. Zum Zuführen des Fluides 2 in die Druckkammer 10 ist eine Zuluftleitung 30 vorgesehen, die beispielsweise über einen Schlauch mit einem Behälter für das Fluid 2 verbunden ist, welcher beispielsweise unter Überdruck steht, oder aus dem das Fluid 2 über einen Kompressor aus dem Behälter über den Schlauch in die Zuluftleitung 30 geleitet wird,. Zum Abführen von Flüssigkeit aus der Druckkammer 10 ist zudem eine Entwässerungsleitung 20 vorgesehen. In dem Abdeckelement 11 sind Auslasselemente 40 zum Durchleiten des Fluides 2 aus der Druckkammer 10 in die umgebende Flüssigkeit in dem Abdeckelement 11 ausgebildet. Die Auslasselemente 40 sind vorliegend als das Abdeckelement 11 durchgreifende Löcher 50 ausgebildet. Das Fluid 2 wird über eine Eintrittsöffnung 14 der als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 durch das Abdeckelement 11 in das die Druckkammer 10 umgebende Fluid 3 geleitet. Das Abdeckelement 11 ist erfindungsgemäß als Formkörper oder aus einem monolithischen Festkörper hergestellt. Da das Abdeckelement 11 als vorzugsweise selbsttragendes Bauteil auf die Begaserwanne 12 aufgesetzt wird und damit aus der Druckkammer 10 das in die Druckkammer 10 zugeleitete Fluid 2 nur an den Auslasselementen 40 austritt, ist zwischen dem Abdeckelement 11, welches die Oberseite der Druckkammer 10 bildet und der Begaserwanne 12 eine Dichtung 13 ausgestaltet. Die Dichtung 13 kann eine gummielastische Dichtung sein oder eine zwischen der Begaserwanne 12 und dem Abdeckelement 11 aufgetragene pastöse Dichtungsmasse, die aushärtet und so einen Stoffschluss zwischen dem Abdeckelement 11 und der Begaserwanne 12 ausbildet. Die der Druckkammer 10 abgewandte Oberseite des Abdeckelements 11 umfasst triangular ausgestaltete Formelemente 15, die hier vorliegend mit zwei Flanken 16, die spitz aufeinander zulaufen, ausgestaltet sind. Die als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 durchgreifen die Flanken 16 der triangular ausgestalteten Formelemente 15. Wie zu erkennen ist, weisen die Flanken 16 einen Steigungswinkel von ca. 60 Grad auf, wodurch verhindert wird, dass die durch die Auslasselemente 40 aufsteigenden Gasbläschen beim Aufsteigen in das Fluid 3 an der Wand der Formelemente 15 anhaften. Dadurch wird eine Koaleszenz, d. h. ein Zusammenschluss von mehreren Gasbläschen verhindert. Die Formelemente 15 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dabei sind die Formelemente 15 zueinander beabstandet angeordnet, d. h. dass die Flanken 16 der jeweiligen Formelemente 15 nicht aneinander stoßen, sondern zwischen den Flanken 16 ein Übergang gebildet ist. Natürlich können die Flanken 16 der Formelemente 15 auch einander anstoßend, d. h. angrenzend oder sogar übergreifend ausgestaltet sein. Die als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 weisen einen Durchmesser von 0,005 mm bis maximal 1,0 mm auf, bevorzugt von 0,01 mm bis 0,4 mm. Der Durchmesser der als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 ist für die Ausbildung von sehr kleinen Gasbläschen, die aus der Druckkammer 10 über die Auslasselemente 40 in das Fluid 3 unter Druck aufsteigen, von Entscheidung. Alternativ kann die Entwässerungsleitung 20 wie die in der 1 dargestellte Zuluft-Medienleitung ausgestaltet sein und umgekehrt.
• Die Entwässerungsleitung 20 ist für einen selbst entleerenden Arbeitsmodus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 vorteilig. Dabei kann in der Druckkammer 10 ein leichter Überdruck geschaffen werden, um bei gleichzeitigem Aufbau des Überdrucks und der Inbetriebnahme einer Entwässerungspumpe die in die Druckkammer 10 eingedrungene Flüssigkeit abzupumpen. Der Überdruck kann beispielsweise durch einen Kompressor geschaffen werden, oder durch Pumpen eines Gases durch die Zuluft-Medienleitung 30, welches die eingedrungene Flüssigkeit aus der Druckkammer 10 verdrängen und über die Entwässerungsleitung 20 abführen kann. Dabei ist es denkbar, dass die Entwässerungsleitung 20 mit einer Flüssigkeit zu Reinigungszwecken durchgespült werden kann, um festgesetzte Partikel aus den als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselementen 40 auszuspülen. Vorteilhaft kann der Eintrag des Fluides 2 in das die Vorrichtung 1 umgebene Fluid 3 durch einzelne Auslasselemente 40 mittels hier nicht dargestellten Magnetventilen gesteuert werden, wobei jedem Auslasselement 40 ein Magnetventil zugeordnet sein kann. Des Weiteren, hier aber nicht dargestellt, kann mindestens eine oder eine Vielzahl von Beleuchtungselementen in der Druckkammer 10 vorgesehen sein, um die Druckkammer 10 und/oder das Fluid 3 über den Auslasselementen 40 zu beleuchten. Sowohl die Zuluft-Medienleitung 30 als auch die Entwässerungsleitung 20 kann dazu dienen, um ein Stromkabel in die Druckkammer 10 einzuführen, um damit beispielsweise Beleuchtungselemente als auch die Magnetventile mit Energie zu versorgen.
• Die 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 der 1 in einer Draufsicht von oben. Die Linie AA zeigt die Position des Schnittes der Seitenansicht der 1. In der Draufsicht auf die Vorrichtung 1 ist zu erkennen, dass die als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 jeweils an beiden Flanken 16 der Formelemente 15 parallel liegend auf einer Höhe angeordnet sind. Zudem zeigt die Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 der 2 die Beabstandung der einzelnen Formelemente 15 zueinander. Zudem ist aus der Draufsicht auf die Vorrichtung 1 die parallele Führung der Formelemente 15 zueinander zu erkennen. Natürlich können die Formelemente 15 auch um 90 Grad gedreht parallel zueinander auf der Oberfläche des Abdeckelements 11 ausgestaltet sein.
• In der 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in Draufsicht auf das Abdeckelement 11 dargestellt. Im Gegensatz zu der Vorrichtung aus den 1 und 2 sind die als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 an beiden Flanken 16 der Formelemente 15 versetzt zueinander ausgestaltet.
• 4 zeigt die Vorbereitung einer Negativform 60, die vorzugsweise aus einem Silikonkautschuk oder einem Polyurethankautschuk besteht. Um die als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40 in dem als Formkörper ausgestalteten Abdeckelement 11 auszubilden, sind Platzhalterelemente 62 durch die Negativform 60 geführt. Die Platzhalterelemente 62 sind vorliegend als Draht, beispielsweise als Dentaldraht durch Führungselemente 61, die durch die Oberfläche der Negativform 60 durchgreifen, geführt. Bevor die aushärtbare Gies- bzw. Gussmasse auf die Negativform 60 aufgetragen wird, werden die Führungselemente 61, die hier vorliegend als Kanülen ausgestaltet sind, aus der Negativform 60 herausgezogen. Bevor die als Kanülen ausgestalteten Führungselemente 61 aus der Negativform 60 herausgezogen werden können, werden die Platzhalterelemente 62, die hier vorliegend als Draht dargestellt sind, orthogonal zu einer Ebene, die parallel zu der Oberfläche der Negativform 60 liegt, gespannt. Beim Herausziehen der als Kanülen ausgestalteten Führungselemente 61 aus der aus Silikonkautschuk oder Polyurethankautschuk ausgestalteten Negativform 60, schließt sich das Material der Negativform 60 um die als Drähte ausgestalteten Platzhalterelemente 62. Die so mit den Platzhalterelementen 62 vorbereitete Negativform 60 kann für den Gießvorgang in eine die Negativform 60 umgreifende Wanne eingelegt werden, um in der Wanne an der Negativform 60 das als Formkörper auszubildende Abdeckelement 11 anhand der Negativform 60 zu erstellen. Während die aushärtbare Gießmasse des Abdeckelements 11 aushärtet, oder nach dem Aushärten der Gießmasse für das Abdeckelement 11 wird die Negativform 60 von dem Abdeckelement 11 gelöst. Beim Lösen bzw. Abtrennten der Negativform 60 von dem Abdeckelement 11 entstehen durch Herausziehen der Platzhalterelemente 62 aus dem Abdeckelement 11 die als Löcher 50 ausgestalteten Auslasselemente 40. Das so gefertigte Abdeckelement 11 kann dann über eine Dichtung 13 mit der Begaserwanne 12 der Vorrichtung 1 verbunden werden. Dabei kann das Abdeckelement 11 mit seinen Formelementen 15 in die Druckkammer 10 hineingreifend, oder von der Druckkammer 10 abgewandt angeordnet werden. D. h., dass das in der 1 dargestellte Abdeckelement 11 auch invers, mit den Formelementen 15 in die Druckkammer 10 hineingreifend über die Dichtung 13 an der Begaserwanne 12 befestigt bzw. optional mittels zusätzlichen Befestigungsmitteln werden kann.
• 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Abdeckelements 11, wobei die Formelemente 15 als Bögen 80 ausgestaltet sind. Dabei haben der linke und der rechte Bogen 80 eine konvexe Krümmung zu der Oberfläche des Abdeckelements 11 und der zwischen diesen Bögen 80 ausgestaltete Bogen 80 weist eine zur Oberfläche hin konkave Ausgestaltung auf. Die Bögen 80 können aber auch einen Halbkreis bildend oder als säulenartige Formelemente 15 parallel zueinander angrenzend oder beabstandet angeordnet sein. In den Bögen 80 sind Auslasselemente 40 in Form von Löchern 50 ausgestaltet. Wie zu erkennen ist, steigt das Fluid 2 aus der Druckkammer 10 säulenartig in Gasbläschen in das die Vorrichtung 1 umgebende Fluid 3 auf. Durch die Krümmung der Bögen 80 wird eine Koaleszenz der Gasbläschen verhindert.
• Insgesamt ist die Form der Formelemente 15 nur so weit einschränkend, dass die durch die Auslasselemente 40 aufsteigenden Gasbläschen nicht an der Wand der Formelemente 15 anhaften. Die Formelemente 15 können integraler Bestandteil des als Formkörper ausgestalteten Abdeckelements 11 oder des aus einem monolithischen Festkörper hergestellten Abdeckelements 11 sein, d. h., dass die Formelemente 15 einteilig bzw. einstückig mit dem Abdeckelement 11 ausgestaltet sind. Die Formelemente 15 können aber auch an dem Abdeckelement 11 befestigt, bzw. mit diesem verbunden sein. So könnte beispielsweise das Abdeckelement 11 als Lochblech ausgestaltet sein, auf das die Formelemente 15 aufgesetzt, verklebt, verschweißt oder anderweitig befestigt werden.
• 6 zeigt eine Alternative zu der in 4 dargestellten Negativform 60 die sowohl als Formkörper oder aus einem monolithischen Festkörper hergestellt sein kann. Im Unterschied zu der Negativform 60 aus 4 sind die Platzhalterelemente 62 im Bereich der Flanken 16 auf der Oberfläche oder mit der Oberfläche der Negativform 60 verbunden bzw. an dieser befestigt. Die hier als Drähte dargestellten Platzhalterelemente 62 können dabei beispielsweise mit der Oberfläche verklebt bzw. an dieser angeschweißt sein. Bei dieser Ausgestaltung der Negativform 60 ist vorteilhaft, dass vor dem Gießen des Abdeckelements 11 keine die Platzhalterelemente 62 durch das Abdeckelement 11 führenden Führungselemente 61 aus der Negativform 60 entfernt werden müssen.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Fluid

3

umgebendes Fluid

10

Druckkammer

11

Abdeckelement

12

Begaserwanne

13

Dichtung

14

Eintrittsöffnungen

15

Formelement

16

Flanke

18

Entwässerungspumpe

20

Entwässerungsleitung/Medienleitung

30

Zuluft-Medienleitung

40

Auslasselement

50

Loch/Löcher

60

Negativform

61

Führungselement

62

Platzhalterelement

70

Flanke

80

Bogen

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zum Einbringen eines Fluides (2), insbesondere eines Gases oder eines Gasgemisches, aus der Vorrichtung (1) in ein die Vorrichtung (1) umgebendes Fluid (3), insbesondere in eine Flüssigkeit, umfassend eine Druckkammer (10), ein Abdeckelement (11), das zumindest eine Oberseite der Druckkammer (10) bildet, eine Begaserwanne (12), die zumindest eine Unterseite der Druckkammer (10) bildet, eine Zuluft-Medienleitung (30) zum Zuführen des Fluides (2) in die Druckkammer (10), eine Entwässerungsleitung (20) zum Abführen von Flüssigkeit aus der Druckkammer (10), und eine Vielzahl von Auslasselementen (40) zum Durchleiten des Fluides (2), die in dem Abdeckelement (11) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (11) als Formkörper oder aus einem monolithischen Festkörper herstellbar ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasselemente (40) als den Formkörper oder den monolithischen Festkörper durchgreifende Löcher (50) und/oder Kanäle ausgebildet sind.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das zumindest eine Oberfläche des Formkörpers oder des monolithischen Festkörpers triangular und/oder konvex und/oder konkav ausgestaltete Formelemente (60) aufweist, wobei die triangular ausgestalteten Formelemente (15) jeweils zumindest eine Flanke (16) aufweisen, die einen Steigungswinkel zwischen 0° bis 89°, insbesondere von 60° Grad, zu einer horizontalen Ebene parallel zu der Oberseite der Druckkammer (10) aufweist, und wobei die konvex ausgestalteten Formelemente (15) jeweils einen Bogen (80) aufweisen, der ein Bogenmaß zwischen 1° bis 360°, insbesondere von 180°, aufweist, wobei die Formelemente (15) im Wesentlichen parallel beabstandet zueinander und/oder einander angrenzend angeordnet sind.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (11) als monolithischer Festkörper in Form einer Platte aus einem Metall herstellbar ist, wobei die Auslasselemente (40) mittels Lasern in dem Abdeckelement (11) ausgestaltet werden können, wobei insbesondere ein Laser die Auslasselemente (40) in Form von Löchern (50) durch die Metallplatte schießt.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Loch (50) ausgestaltete Auslasselement (40) einen Durchmesser von 0,005 mm bis max 1,0 mm, vorzugsweise von 0,01 mm bis max 0,4 mm aufweist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Formkörper oder als monolithischer Festkörper ausgestaltete Abdeckelement (11) und die Begaserwanne (12) zumindest kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit wenigstens einer weiteren Vorrichtung (1) verbindbar ist, insbesondere mit mehreren Vorrichtungen (1) zur Vergrößerung der Fläche zum Einbringen des Fluides (2) in ein Fluid (3) zusammenschaltbar ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Abdeckelements (11) für eine Vorrichtung (1) zum Einbringen eines Fluides (2) aus der Vorrichtung (1) in ein die Vorrichtung (1) umgebendes Fluid (3), insbesondere für eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Abdeckelement als Formkörper ausgestaltetet ist, umfassend folgende Schritte: – Herstellung eines Ur-Modells, das im Wesentlichen identisch zu der Form der des Abdeckelements (11) ist, – Abformung des Ur-Modells zur Erstellung einer Negativform (60) als Gießform für das Abdeckelement (11), – Einsetzen von Platzhalterelementen (62) zur Ausgestaltung der Auslasselemente (40) in oder an der Negativform (60), – Erstellung des Abdeckelements (11) durch Auftragen einer aushärtbaren Gießmasse auf die Negativform (6), – Entfernen des erstellten Abdeckelements (11) von der Negativform (60), dadurch gekennzeichnet, dass die Platzhalterelemente (62) durch durch die Negativform (60) geführte Führungselemente (61) geführt werden, wobei die Führungselemente (61) als Hohlkörper ausgestaltet sind, durch die zumindest ein als Draht, Faser, Schnur oder Litze ausgestaltetes Platzhalterelement (62) durchgeführt wird, und wobei der Draht, die Faser, die Schnur oder die Litze vor dem Auftragen der aushärtbaren Gießmasse auf die Negativform (60) orthogonal zu einer horizontalen Ebene parallel zu der Oberseite der Druckkammer (10) gespannt und/oder gehalten wird und wobei vor dem Auftragen der aushärtbaren Gießmasse auf die Negativform (60) die Führungselemente (61) entfernt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Abdeckelement (11) aus einem monolithischen Festkörper in Form einer Metallplatte ausgestaltetet wird, und wobei Auslasselemente (40) in Form von Löchern mittels eines Lasers in das Abdeckelement (11) geschossen werden.

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