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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rührblatt für ein Rührelement, insbesondere für ein solches Rührelement, das zum Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten, zum Homogenisieren von zwei oder mehreren fluiden Phasen oder zum Suspendieren von Feststoffen in Flüssigkeiten sowie bei einer Kombination der einzelnen Rühraufgaben eingesetzt werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind Rührblätter bekannt, die einen nach vorne geformten Zusatzblattabschnitt aufweisen. Eine solche Offenbarung zeigt beispielsweise die
US 5,316,443 , die jedoch den Nachteil mit sich bringt, dass sich bei einer Begasung eines mit dem Rührblatt zu rührenden Rührguts in einem Unterdruckbereich des Rührblatts Gaspolster ausbilden, die zu einem signifikanten Abfall im Leistungsprofil des mit dem Rührblatt zusammenwirkenden Rührelements (auch Rührorgan) führen. Dies führt zu einem komplizierten Ansteuervorgang des Rührelements, da die Rührerfrequenz aufgrund der Bildung der Gaspolster und der damit einhergehenden Leistungsprofiländerung nachgesteuert werden muss. Dies gilt vor allem bei höheren Gasraten der Begasung.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend aufgeführten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Dies gelingt mit einem Rührblatt, das sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Das erfindungsgemäße Rührblatt für ein Rührelement weist einen Hauptblattabschnitt, der einen Vorderbereich, einen Rückbereich, eine Innenseite und eine Außenseite umfasst, und einen Rückblattabschnitt auf, der an dem Rückbereich des Hauptblattabschnitts angeordnet ist und sich in Richtung des Vorderbereichs erstreckt. Das Rührblatt kennzeichnet sich dadurch aus, dass der Rückblattabschnitt so ausgebildet ist, dass er von der Innenseite des Hauptblattabschnitts her in Richtung Außenseite des Hauptblattabschnitts zu seiner maximalen Erstreckung verläuft, vorzugsweise ist der Rückblattabschnitt so ausgebildet, dass er von der Innenseite her kontinuierlich zu dem außenseitig angeordneten Punkt der maximalen Erstreckung verläuft.
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Die maximale Erstreckung liegt dabei vorzugsweise in der der Außenseite zugewandten Breitenhälfte des Rückblattabschnitts, bevorzugterweise in dem Drittel der Breite des Rückblattabschnitts, das der Außenseite am nächsten ist.
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Der Rückblattabschnitt beginnt an einem innenseitigen Abschnitt des Hauptblattabschnitts und steigt kontinuierlich bis zu einem Maximum im Bereich des äußeren Rands des Hauptblattabschnitts an. Bei Verwendung eines so ausgebildeten Rührblatts in einem Rührelement steigt demnach die Erstreckung des Rückblattabschnitts mit wachsendem Durchmesser des Rührelements. Mit wachsenden Durchmesser erhöht sich die Umfangsgeschwindigkeit und der Unterdruck an dem Rührblatt, wobei der Unterdruck quadratisch mit dem Durchmesser ansteigt.
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Bei einer Ausformung des Rückblattabschnitts nach dem Stand der Technik führt dies zur Bildung der oben beschriebenen Gaspolster und bringt den erheblichen Abfall im Leistungsprofil mit sich.
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Im Gegensatz dazu bildet das erfindungsgemäße Rührblatt bzw. das damit versehende Rührelement die sich mit steigender Gasrate und/oder Froudezahl ausbildenden Gaspolster auch ohne Begasung des Rührguts nach und bewirkt so den Effekt, dass die relative Leistungsaufnahme in einen begasten Zustand PGas zu einer Leistungsaufnahme in einem unbegasten Zustand PO kaum noch absinkt, da die Gaspolster durch die innovative Formgebung des erfindungsgemäßen Rührblatts quasi schon vorhanden sind. Ein leichter Leistungsabfall auch bei höheren Begasungsraten und/oder Froudezahlen folgt nur noch durch die verringernde Gemischdichte des aus Gas und Flüssigkeit bestehenden Rührguts.
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Die Formgebung des erfindungsgemäßen Rührblatts sorgt also dafür, dass auch in einem unbegasten Zustand eines Rührguts Gaspolster ausgebildet werden, die in einem begasten Zustand entstehen würden. Damit kann die Ansteuerung bei einem Wechsel zwischen einem begasten und einem unbegasten Zustand, bzw. bei Änderung der Begasungsrate sehr viel einfacher und günstiger realisiert werden.
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Hierin ergibt sich der Vorteil, dass das System steuerungstechnisch sehr einfach betätigbar ist, da die höhere Frequenz, selbst bei höheren Gasraten, kaum mehr nachgesteuert werden muss. So ist selbst ein Einsatz eines Frequenzumformers mit konstantem Gegenmoment, einem gleichmäßigen spezifischen Leistungseintrag und damit Stoffübergang gewährleistet.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rührblatts ergibt sich dadurch, dass sich durch das Ansteigen des Rückblattabschnitts um zu seiner maximalen Erstreckung eine nach außen zunehmende und beschleunigte radiale Strömung bildet, die bei Verwendung des Rührblatts in einen Rührorgan auftritt. Durch diesen Effekt wird bei gleichzeitig hohem axialen Strömungsanteil eine Behälterwand mit der sich ausbildenden Strömung erreicht. Auf das Rührblatt auftretende Gasblasen werden radial nach außen beschleunigt und dispergiert. In Folge wird dadurch die spezifische Stoffaustauschfläche und damit der Stoffübergangskoeffizient sowie die folgende Gasaustauschrate optimiert.
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Bei einem Betrieb des Rührorgangs mit dem erfindungsgemäßen Rührblatt (im Uhrzeigersinn der in den Figuren dargelegten Ausführungsform) fördert dieses nach oben arbeitet mit dem Gasstrom zusammen, anstatt gegen diesen. Das Produkt wird im zentralen Bereich des Behälters bis an die Oberfläche der Fluid-/Gasphase gefördert und im Randbereich wieder nach unten gezogen, sodass sich pro Rührstufe, in mindestens ein Rührorgan umfasst, vollständige Kreisläufe (sogenannte Loops) ausbilden, auf denen ein Produkt förderbar ist. Dadurch sind schnelle Mischzeiten erreichbar, die wichtig sind, um z.B. Mikroorganismen schnell mit einem frischen Substrat zu versorgen, wobei gleichzeitig auch ein schneller Abbau von Konzentrationsdifferenzen eines eingedüsten Sauerstoffs oder von Luft möglich ist. Dadurch ist es möglich, dass der Metabolismus von Mikroorganismen mit Hilfe der vorliegenden Erfindung optimiert und mit maximaler Produktausbeute ausgeführt werden kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die maximale Erstreckung derjenige Punkt des Rückblattabschnitts ist, an dem der Abstand zu dem Rückbereich des Hauptblattabschnitts maximal ist und/oder an der der Abstand zu dem Vorderbereich des Hauptblattabschnitts minimal ist.
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Nach einer weiteren optionalen Ausführungsform der Erfindung ist eine minimale Erstreckung des Rückblattabschnitts der Innenseite des Hauptblattabschnitts zugewandt. Demnach beginnt der Rückblattabschnitt sich ausgehend von der Innenseite in Richtung Vorderbereich des Hauptblattabschnitts zu erstrecken. Von dem Punkt der maximalen Erstreckung des Rückblattabschnitts liegt es demnach immer einen sich kontinuierlich zum maximalen Erstreckung absinkenden Abschnitt, der über mindestens 10% der Breite des Hauptblattabschnitts verläuft. In anderen Worten gibt es also zwischen dem innenseitig angeordneten Minimum der Erstreckung des Rückblattabschnitts und dem dazu außenseitig angeordneten Maximum der Erstreckung des Rückblattabschnitts einen diese beiden Punkte verbindenden Bereich, der sich über mindestens 10% der Gesamtbreite des Hauptblattabschnitts erstreckt.
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Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung erstreckt sich der Rückblattabschnitt nur über einen Teilabschnitt des Rückbereichs des Hauptblattabschnitts, vorzugsweise über einen sich an die Außenseite anschließenden Teilabschnitt. Um die Vorteile der Erfindung zu erreichen, ist es auch möglich, das sich der Rückblattabschnitt nicht vollflächig an den Rückbereich des Hauptblattabschnitts anschließt. Vielmehr reicht es auch aus, dass der Rückblattabschnitt sich nur über einen an die Außenseite des Hauptblattabschnitts angrenzenden Teilbereich des Rückbereichs anschließt. Schließt sich hingegen der Rückblattabschnitt über den gesamten Rückbereich des Hauptblattabschnitts an, beginnt also der Rückblattabschnitt auf der Innenseite des Hauptblattabschnitts, ergibt sich ein hoher Leistungsbeiwert bei verstärkt radialem Förderprofil und einem überlagerten axialen Förderprofil. Hier kann ein Anwendungsfall schleißendes Rührgut sein, bei dem bei hohem Leistungseintrag eine niedrige Umfangsgeschwindigkeit notwendig ist, um Materialverschleiß entgegen zu wirken.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rührblattabschnitt von der Innenseite her in Richtung Außenseite in etwa geradlinig zu seiner maximalen Erstreckung verläuft, vorzugsweise mit einem Anstiegswinkel γ in einen Bereich von 20 bis 60 Grad, bevorzugterweise in einen Bereich von 35 bis 45°. Der Anstiegswinkel wird dabei bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Rührblatts in einem Rührorgan gegenüber der Radialrichtung des Rührelements bestimmt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Modifikation der Erfindung liegt die Breite des Rückblattabschitts an dem Rückbereich, also die Ausdehnung zwischen der Innenseite und der Außenseite des Hauptblattabschnitts, in einem Bereich von 20 bis 100 % der Breite des Hauptblattabschnitts. Bei einem weniger breit ausgebildeten Rückblattabschnitt steigt der axiale Förderanteil des Rührblatts bzw. des damit versehenen Rührsystems und der Leistungsbeiwert des Systems ist dann grundsätzlich geringer.
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Damit ist es dann möglich, das Rührorgan, welches mit dem Rührblatt versehen ist, mit höherem Durchmesser und damit optimierter primärer Förderrate zu betreiben und dabei gleichzeitig den Vorteil zu erreichen, dass bei einem Fließverhalten, dass den nicht newtonschen Prinzipien folgt, Rechnung getragen wird. Ein Beispiel für ein solches Rührgut sind Mycel, die Fermenterbrühen bilden.
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Diese strömungstechnisch sich aufgrund der spezifischen Konstruktion des Rührblatts einstellenden Kavernen in dem Fluid werden derart vergrößert, dass sich radial und axial ein homogenes Förderprofil einstellt. Dadurch können Stoffübergänge und ein Wärmetausch optimiert werden sowie eine gleichmäßige Verteilung von Zusatzstoffen wie z.B. Salzen oder sonstigen Substraten schnell eingerührt und gleichmäßig verteilt werden.
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Vorzugsweise liegt die Breite des Rückblattabschnitts in einem Bereich von 20 bis 40 % der Breite des Hauptblattabschnitts.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Länge des Rückblattabschnitts ausgehend von dem Rückbereich des Hauptblattabschnitts, insbesondere die Ausdehnung des Rückblattabschnitts in Richtung des Vorderbereichs des Hauptblattabschnitts, in einen Bereich von 20 bis 50 % der Gesamtlänge des Hauptblattabschnitts liegt.
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Nach einer weiteren Modifikation der Erfindung umfasst der Hauptblattabschnitt einen Vorblattabschnitt und einen Mittelblattabschnitt, wobei der Mittelblattabschnitt zwischen dem Vorblattabschnitt und dem Rückblattabschnitt vorgesehen ist und diese Abschnitte voneinander trennt. Vorzugsweise sind der Vorblattabschnitt und der Mittelblattabschnitt im Wesentlichen planare Flächen, die zueinander geneigt sind und miteinander einen stumpfen Winkel einschließen.
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Vorzugsweise liegt die Länge des Mittelblattabschnitts zwischen dem Vorderblattabschnitt und dem Rückblattabschnitt in einem Bereich von 50 und 70% der Gesamtlänge des Hauptblattabschnitts. Nach einer Fortbildung der Erfindung verläuft eine vom Mittelblattabschnitt abgewandte Vorderkante des Vorblattabschnitts, die sich von der Innenseite zu der Außenseite erstrecke in einem Bericht zur Außenseite hin schräg, vorzugsweise mit einem Winkel β im Bereich von 5 - 20 %. Die zur Außenseite hin auftretende Abschrägung der Vorderkante des Vorblattabschnitts erstreckt sich dabei typischerweise nur über einen Teilabschnitt der gesamten Breite des Vorblattabschnitts. Der Winkel µ wird Ähnlich wie der Winkel γ bei einer Bestimmungsgemäßen Nutzung des Rührblatts bestimmt, nämlich durch den Winkel, der mit der zur Radialrichtung parallelen Axialrichtung des Rührblatts eingeschlossen wird.
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Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung ist das Rührblatt mit seinen mehreren Abschnitten aus planaren und/oder gebogenen Flächen gebildet und ist vorzugsweise aus einer einzelnen zusammenhängenden Fläche gebildet.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Rührelement, dass mindestens ein Rührblatt nach einer der vorstehende aufgeführten Varianten, vorzugsweise 2 bis 5 Rührblätter, bevorzugterweise 3 bis 4 Rührblätter und eine Nabe zum Rotieren des mindestens einem Rührblatts entlang einer Kreisbahn umfasst, wobei das mindestens eine Rührblatt mit seiner Innenseite der Nabe zugewandt ist und vorzugsweise das mindestens eine Rührblatt über einen Holm mit der Nabe in Verbindung steht oder direkt an der Nabe befestigt ist.
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Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung schließt der Vorblattabschnitt einen Winkel β mit der durch die Kreisbahn definierten Ebene ein, der im Bereich von 5-20°, vorzugsweise im Bereich von 10-20° liegt.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Mittelblattabschnitt einen Winkel α mit der durch die Kreisbahn definierte Ebene einschließt, der im Bereich von 15 - 45°, vorzugsweise im Bereich von 20 - 30° liegt.
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Nach einer weiteren Modifikation der Erfindung ist die Länge des Hauptblattabschnitts in einem Bereich von 30 - 60% des durch die Außenseite des Hauptblattabschnitts festgelegten Durchmessers der Kreisbahn, und/oder die Breite des Hauptabschnitts ist 30 - 50 % des durch die Außenseite des Hauptblattabschnitts festgelegten Durchmessers der Kreisbahn.
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Nach einer weiteren optionalen Modifikation weist der Rückblattabschnitt einen gebogenen Teil und einen zu dem durch die Kreisbahn definierten Ebene parallelen Teil auf oder besteht aus diesen Teilen, wobei der gebogene Teil zwischen dem parallelen Teil des Rückblattabschnitts und dem Rückbereich des Hauptblattabschnitts angeordnet ist.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1a: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rührelement mit drei Rührblätter,
- 1b: eine Seitenansicht des Rührelements aus 1a,
- 2a: eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Rührelements mit drei Rührblättern und
- 2b: eine Seitenansicht des in der 2a dargestellt Rührelements.
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1a zeigt eine Draufsicht auf ein Rührelement 20, das mit den erfindungsgemäßen Rührblättern 1 versehen ist. Insgesamt erkennt man drei Rührblätter, wobei ein erfindungsgemäßes Rührelement 20 zwei bis fünf Rührblätter oder drei bis vier Rührblätter 1 aufweisen kann. Das Rührelement 20 weist eine mittig angeordnete Nabe 21 auf, die für eine Rotation der daran befestigten Rührblätter 1 sorgt. Die Rotationsachse verläuft in der 1a aus der Blattebene hinaus, bzw. durch diese hindurch. Das Rührelement kann sowohl mit einer Rotation im Uhrzeigersinn als auch mit einer Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn betrieben werden. Da sich hierbei nur leicht verändernde Leistungsaufnahmen ergeben, kann für beide Betriebsrichtungen derselbe Rührantrieb verwendet werden.
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Von der Nabe 21 stehen insgesamt drei Holme ab, die jeweils einen Abstand von 120° zueinander aufweisen. Die zueinander äquidistant angeordnete Holme 22 weisen an ihren von der Nabe 21 beabstandete Ende jeweils ein Rührblatt 1 auf. Das Rührblatt 1 besitzt im Wesentlichen drei unterteilbare Abschnitte. Zum einen den Mittelabschnitt 11, der mit dem Holm 22 oder in einer anderen Ausführungsform auch direkt mit der Nabe 21 in Verbindung stehen kann, einen Vorblattabschnitt 12 und einen Rückblattabschnitt 13. Ferner besitzt jedes Rührblatt 1 eine zur Nabe 21 weisende Innenseite 111 sowie eine von der Nabe 21 abgewandte Außenseite 112. Bei einer Rotation des Rührelements 20 ergibt sich eine kreisförmige mit Hilfe der Rührblätter 1 überstrichene Fläche, die einen bestimmten Durchmesser aufweist. Dieser Durchmesser entspricht zweimal R1.
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In dem linken in der 1 dargestellten Rührblatt 1 erkennt man die Breite B1 des Rührblatts, die in Richtung des Vorblattabschnitts 12 verlaufende Erstreckung des Rückblattabschnitts 13 mit seiner Länge B3, die Länge B4 des Mittelblattabschnitts 11 sowie einen geraglinig verlaufenden Abschnitt der Vorderkante 121 des Vorblattabschnitt 12 und einen dazu angeschrägten Bereich. Dabei ist der Abschnitt B6 im Wesentlichen parallel zu der Axialrichtung des Holms 21 des zugehörigen Rührblatts 1. Der abgeschrägte Bereich ist dazu um den Winkel µ angeschrägt.
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In dem unteren der drei Rührblätter 1 ist zudem ein Winkel γ eingezeichnet, der den Anstiegswinkel des Rückblattabschnitts hin zu seiner maximalen Erstreckung definiert. Dabei verläuft der Anstieg bis zu der maximalen Erstreckung im Wesentlichen geradlinig mit der Ausnahme eines Übergangsbereichs nahe der Innenseite 111 und der Außenseite 112. Jeder der Übergangsbereiche ist jedoch kleiner als 10% der Gesamtbreite des Hauptblattabschnitts.
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1b zeigt eine Seitenansicht, der vorstehend in 1a diskutierten Draufsicht des Rührelements. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente des Urelements 20. Man erkennt, dass der Mittelabschnitt gegenüber einer durch die Rotation der Rührblätter 1 um die Nabe 21 definierten Ebene um den Winkel α geneigt ist. Der Winkel α kann dabei aus einem Bereich von 15° - 45°, vorzugsweise von 20° - 30° gewählt werden. Ebenfalls erkennt man, dass der Vorblattabschnitt 12 gegenüber dieser Ebene geneigt ist. Gegenüber der durch die Kreisbahn definierten Ebene ist der Vorblattabschnitt 12 um den Winkel β im Bereich von 5° - 20°, vorzugsweise 10° - 20° geneigt.
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Ferner erkennt man, dass der Rückblattabschnitt 13 sich mit einem um den Radius R2 gebogenen Abschnitt an den Mittelblattabschnitt 11 anschließt und dann einen im Wesentlichen geradlinigen Abschnitt 132 aufweist, der im Wesentlichen parallel ist zu der durch die Kreisbahn definierten Ebene.
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2a zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rührelements 20. Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform unterscheidet sich diese zweite Ausführungsform dadurch, dass der Rückblattabschnitt 13 sich nicht vollständig über die gesamte Breite des Hauptblattabschnitts 11, 12 erstreckt. Man erkennt, dass der Rückblattabschnitt 13 nur an einem an der Außenseite 112 angrenzendem Bereich vorgesehen ist und sich nicht vollständig hin zur Innenseite 111 erstreckt. So erkennt man die Breite B1 des Rückblattabschnitts, die sich nur über einen Teil der gesamten Breite B2 des Hauptblattabschnitts 11, 12 bzw. des Mittelblattabschnitts erstreckt. Um dieselbe maximale Erstreckung wie in der Ausführungsform der 1a und 1b zu erreichen, ist es darüber hinaus erforderlich, dass der Anstiegswinkel δ größer veläuft.
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Mit einem so ausgebildeten Rührelement 20 ist ein höherer Durchmesser und damit eine optimierte, primäre Förderrate möglich. Ferner können dadurch, die sich strömungstechnisch ausbildenden Kavernen im Fluid derart vergrößert werden, dass sich radial und axial ein homogenes Förderprofil einstellt.
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2b zeigt eine Seitenansicht, der in 2a dargestellten Draufsicht der zweiten Ausführungsform des Rührelements 20. Hierbei erkennt man erneut gut den Rückblattabschnitt 13, der sich nur teilweise über die gesamte Breite des Hauptblattabschnitts 11, 12 erstreckt. Ferner erkennt man, dass dieser bündig mit der Außenseite 112 des Hauptblattabschnitts 11, 12 übergeht und nach Erreichen seiner maximalen Erstreckung hin zum Vorblattabschnitt 12 seine Erstreckung kontinuierlich verringert, bis auf ca. der Hälfte der Breite des Hauptblattabschnitts 11, 12 der Rückblattabschnitt 13 in den Rückbereich des Hauptblattabschnitts 11, 12 übergeht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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