DE102018111377A1

DE102018111377A1 - Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten mit einem rohrförmigen Begaser

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Publication number: DE102018111377A1
Application number: DE102018111377.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2018-11-15
Also published as: DE202018107174U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten, bei der das Begasungsmedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt wird, mit wenigstens einem Begasungsbecken oder -behälter und wenigstens einem rohrförmigen Begaser. Es ist vorgesehen, dass der rohrförmige Begaser (1) in dem Begasungsbecken oder -behälter horizontal angeordnet ist, er in mindestens zwei Reihen nacheinander angeordnete Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19) für das Gas aufweist, wobei die oder zumindest zwei der Reihen oberhalb der Mittelachse (3) vorgesehen und sowohl zueinander und als auch zur Mittelachse (3) des Begasers (1) parallel angeordnet sind und die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19) einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten, wobei das Begasungsmedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt wird, mit wenigstens einem Begasungsbecken oder -behälter und wenigstens einem rohrförmigen Begaser. Unter Begasung ist sowohl der Eintrag von Gasen in flüssige Medien als auch deren Belüftung zu verstehen. Rohrförmige Begaser besitzen im Allgemeinen einen kreisrunden Querschnitt, welcher für die gebräuchlichsten Anwendungsfälle die optimale Bauform darstellt. Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf Begaser mit einem rechteckigen, ovalen oder anderen Querschnitt.
Vorrichtungen oder Anordnungen zur Begasung von Flüssigkeiten mit einem rohrförmigen Begaser sind hinlänglich bekannt. Rohrbegaser werden dabei jedoch technisch unterschiedlich definiert.
So offenbart EP 0 997 183 A1 eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten bei der das zu begasende Medium in einen an beiden Enden offenen Rohrbegaser strömt und innerhalb des Rohrbegasers zum Zweck der Begasung ein Schlauchbegaser vorgesehen ist. Der Rohrbegaser ist an einem Ende so geformt, dass das im Rohr aufsteigende Gas eine Sogströmung erzeugt und das zu begasende Medium durch den Rohrbegaser treibt.
Aus EP 2 910 530 A1 und EP 2 913 310 A1 gehen Belüftungsvorrichtungen hervor, die ein rohrförmiges Hauptrohr und mit dem Hauptrohr in horizontaler Richtung verbundene Abzweigrohre aufweisen, die entweder in vertikaler Richtung nach oben zeigende oder nach unten gerichtete Belüftungslöcher besitzen. Diese Belüftungslöcher sind 50 mm bis 120 mm voneinander beabstandet und weisen einen Durchmesser von 3 mm bis 10 mm auf.
Vielfach beschrieben sind Begasungseinrichtungen die einen rohrförmigen Einleitungskörper aufweisen der mit einer diesen Körper umschließenden Membran versehen ist ( DE 901 38 51 U1 , DE 881 10 72 U1 , DE 880 56 60 U1 , DE 440 59 61 C2 , DE 20 2015 106 563 U1 , DE 203 16 725 U1 ).
DE 10 2009 060 185 A1 offenbart einen Membranrohrbelüfter mit einem perforierten Schlauch aus einem elastischen Material. Dieser Schlauch ist auf einem mit einem Lüftungsrohr zu verbindenden Stützrohr angeordnet.
DE 102 18 073 A1 und EP 1 497 231 B1 beschreiben einen Rohrbelüfter aus einem Kunststoff-Formkörper mit Poren, die an der Luftabströmseite einen Durchmesser von 150 µm bis 350 µm und an der gegenüberliegenden Luftanströmseite einen Durchmesser von 400 µm bis 850 µm besitzen.
Aus EP 1 015 101 B1 geht ein Diffusor zum Sauerstoffanreichern und Mischen wässriger Medien hervor der aus einer selbsttragenden flexiblen und porösen rohrförmigen Membran besteht, die auf ihrem gesamten Umfang gleichmäßig verteilt feine Poren in einem Größenbereich von 50 µm bis 500 µm aufweist und die spiralartig angeordnet ist.
Als problematisch erweist sich bei einer Reihe der genannten technischen Lösungen ihr komplizierter Aufbau, der meistens eine häufig anzutreffende Störanfälligkeit und einen verhältnismäßig hohen Wartungsaufwand nach sich zieht.
Energetisch nachteilig erweist sich darüber hinaus bei der überwiegenden Anzahl der bekannten Rohrbelüfter, dass durch die verhältnismäßig großen Öffnungsweiten große Mengen an Gas beziehungsweise Luft unkontrolliert in das flüssige Medium getragen werden, wobei der ein größerer Teil des in der eingetragenen Luft vorhandenen Sauerstoffes aus dem flüssigen Medium wie eingetragen wieder mit großen Blasen austritt. Dabei entspricht der Verlust der für die Förderung des Gases aufgebrachten Energie dem Anteil des Gases an der geförderten Menge, das ungenutzt wieder aus der Flüssigkeit austritt.
Damit ist ein Zweck des erfindungsgemäßen Rohrbegasers die Steigerung/Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades in der Weise, dass das zu einem Zweck eingetragene Gas maximal im Zusammenhang mit dem Zweck seines Eintrages verwertet wird.
Der Zweck des Eintrags eines Gases in einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Reaktionsraum/Reaktor kann die Diffusion des Gases in die Flüssigkeit oder die Reaktion des Gases mit Substanzen in der Flüssigkeit sein.
Beispielsweise ist der Zweck des Eintrags von Luft oder reinem Sauerstoff O₂ bei der biologischen Abwasserreinigung, der Biomasse den für ihre Stoffwechsel erforderlichen Sauerstoff O₂ in Wasser gelöst zur Verfügung zu stellen. Und der Zweck des Eintrags von Ozon O₃ in mit gesundheitsgefährdenden biologisch nicht abbaubaren Inhaltsstoffen belastetem Trinkwasser oder Abwasser ist die chemische Reaktion des Ozon O₃ mit diesen Inhaltsstoffen zu deren Zerstörung.
Bekanntermaßen ist der Wirkungsgrad das Verhältnis von eingesetzter Energie zu genutzter Energie und er ist der Güteparameter eines technischen Systems für die Effizienz der Verwertung der zugeführten Energie. Bezogen auf den zweckgebundenen Eintrag von Gas in eine Flüssigkeit ergibt sich der Wirkungsgrad aus dem Verhältnis der Energie für die Förderung der gesamten Gasmenge zum Anteil der diffundierten bzw. an einer Reaktion beteiligten Gasmenge.
Je höher der Wirkungsgrad als Synonym für das Verhältnis der für einen Zweck eingetragenen Gasmenge zum verwerteten Anteil der eingetragenen Gasmenge ist, umso kleiner sind Fördereinrichtungen wie Kompressoren und Förderleitungen zu dimensionieren und umso niedriger ist der Energieeinsatz für die Förderung/den Transport des Gasvolumens und umso wirtschaftlicher und umso klimafreundlicher ist der Eintrag des Gases oder Gasgemisches in den Reaktionsraum/Reaktor.
Als Diffusionszeit - oder als Zeit für den Ablauf der chemischen Reaktionen - steht nur die Zeit vom Austritt eines Gases oder Gasgemisches aus einem Begaser in die Flüssigkeit bis zum Erreichen der Oberfläche der Flüssigkeit zur Verfügung. Nur in dieser Zeit kann das für den jeweiligen Zweck eingetragene Gas entweder diffundieren bzw. reagieren. Der Wirkungsgrad als Güteparameter der Energieausnutzung für den Gaseintrag spiegelt die Eintragseffizienz E_eff als Verhältnis der Oberfläche der angesaugten Gasmenge zur Summe der einzelnen Oberflächen aller aus einem Begaser in die Flüssigkeit austretenden einzelnen Gasblasen wieder.
Die Eintragseffizienz E_eff ist die dimensionslose Verhältniszahl n₁/n₀*A₁/A₀ [-] mit n₀ = 1 als Blasenzahl für die Referenzblase mit einem Durchmesser von 1000 mm, n₁ = Anzahl der Blasen nach der Zerlegung des Volumenstroms in einem Begaser, A₀ in m² als Oberfläche des Volumens der Bezugsblase als Referenzblase für das angesaugten Gasvolumen in m³ vor einem Begaser und A₁ in m² als gesamte Oberfläche des in einer Vielzahl einzelner Gasblasen zerlegten Gasvolumens in m³ nach Austritt aus einem Begaser. Hierbei wird eine angesaugte Gasmenge ohne - auch nur teilweiser - Zwischenspeicherung sofort entsprechend der angesaugten Menge durch den Begaser in die Flüssigkeit eingetragen.
Wird das Volumen einer Kugel mit D₀ = 1000 mm und mit V_1000mm = V₀ = 523.598.776 mm³ in Kugeln mit einem Durchmesser mit D₁ = 1 mm zerlegt, beträgt das D₁ = 1 zugehörige V₁ jeder Kugel 0,52 mm³. Das Verhältnis von eingetragenem Volumen V₀ = 523.598.776 mm³ zu einer Kugel V₁ = 0,52 mm³ ergibt die Zerlegungszahl Z_1mm = Z₁ = V₀ / V₁ = 1.000.000.000 [-]. Das Ausgangsvolumen der Kugel mit D₀ = 1000 mm wird in Z₀ = 1.000.000.000 Kugeln mit D₁ = 1 mm zerlegt; es gilt Z > 1. Für Kugeln mit D_0,5 = 0,5 mm beträgt die Zerlegungszahl Z_0,5 = 8.000.000.000 und für D₂ = 2 mm beträgt die Zerlegungszahl Z₂ = 125.000.
Aus der Zerlegungszahl Z ergeben sich die Oberfläche aller Blasen nach dem Austritt aus dem Begaser und damit die Eintragseffizienz E_eff. Bei einer Oberfläche einer Blase mit einem Durchmesser von 1 mm beträgt A₁ = 3,141593 mm². Die Oberfläche A₀ = 3.141.593 mm² des Ausgangsvolumens V₀ wird mit der Zerlegung überführt in eine Oberfläche aller Blasen von Z₁ * A₁ = 1.000.000.000 * 3,141593 mm². Daraus ergibt sich die mit dem Begaser erzeugte gesamte Oberfläche aus den Oberflächen aller einzelnen Blasen mit ihren Durchmessern von 1 mm von AB₁ = 3.141.593.000 mm².
Die Eintragseffizienz E_eff beträgt AB₁ / A₀ = 3.141.593.000 mm² / 3.141.593 mm² = 1000 [-] und entspricht der Zerlegungszahl Z^1/3. Für einen Durchmesser von D_0,5 = 0,5 mm beträgt die Eintragseffizienz E_eff = 2000 und bei D₂ = 2 mm gilt E_eff = 500. Die Durchmesser aller in der Flüssigkeit aufsteigenden Blasen zur Ermittlung der Eintragseffizienz können durch Messung des Sauterdurchmessers als durchschnittlichem Durchmesser für alle Blasen bestimmt werden.
Bei Öffnungen mit Durchmessern oder generell Öffnungsweiten von > 100 µm zum Eintrag eines Gases in eine Flüssigkeit ist die Energieeffizienz E_eff auf Grund der kleineren Zerlegungszahl Z im Vergleich zu Öffnungen < 100 µm wie hergeleitet niedriger.
Ein weiterer Parameter für die Eintragseffizienz E_eff ist die Vermeidung der Koaleszenz von Gasblasen. Nach der Koaleszenz von mindestens 2 Gasblasen reduziert sich die Kontaktfläche dieses mit der Koaleszenz gebildeten Gasvolumens mit der umgebenden Flüssigkeit gegenüber der Kontaktfläche vor der Koaleszenz und gleichermaßen die Zerlegungszahl Z um 1 und dadurch auch die Energieeffizienz E_eff.
Ein Begaser ist so zu konstruieren, dass die für die Energieeffizienz E_eff maßgebende Zerlegungszahl Z vom status nascendi der Blasen als dem Moment des Austritts aus dem Begaser bis zum Erreichen der Oberfläche der Flüssigkeit unverändert bleibt. Für eine gleichbleibende Zerlegungszahl muss sichergestellt werden, dass jede Blase nach dem Austritt aus dem Begaser auf dem gesamten Weg durch den Reaktor/Reaktionsraum ihr Volumen außer durch die zustandsbedingenden Größen Temperatur und Druck nur dadurch ändert, dass das Gas oder eine Komponente der Luft wie Sauerstoff O₂ in das Wasser diffundiert oder dass ein Gas wie Ozon O₃ bei der Reaktion aus der Gasblase auf den Reaktionspartner übergeht.
Die Eintragseffizienz des Eintrags eines Volumenstroms eines Gases in eine Flüssigkeit zu einem Zweck wie der Diffusion und/oder einer Reaktion wird bestimmt durch die Stabilität der Zerlegungszahl und die Singularität einer Blase durch Vermeidung der Überlagerung von Bahnen von auch nur zwei aus einem Begaser ausgetretenen Blasen. Diese voneinander abgängigen Parameter gelten während der Aufenthaltszeit jeder Blase im Reaktionsraum/Reaktor und werden erfüllt, wenn alle Parameter im status nascendi jeder Blase erfüllt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine möglichst einfache, wartungsarme sowie kostengünstige Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten mit einem rohrförmigen Begaser bereitzustellen, mit dem ein Volumenstrom des Gases in eine möglichst große Anzahl von Blasen mit hoher Eintragseffizienz E_eff aufgeteilt und zugleich sichergestellt werden kann, dass die Zerlegungszahl durch Vermeidung des Koaleszierens von Gasblasen auf der gesamten Strecke vom Austritt aus der Öffnung des rohrförmigen Begasers bis zum Erreichen der Oberfläche des flüssigen Mediums weitestgehend konstant bleibt und der ohne besonderen Aufwand an jeder Luft- und Gasverteilungssystem unter Verwendung aller bekannten Verbindungsarten wie Kupplungen, Gewinde oder Schlauchverbinder angeschlossen werden kann.
Gemäß einem ersten Erfindungsaspekt wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten, bei der das Begasungsmedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt wird, mit wenigstens einem Begasungsbecken oder - behälter und wenigstens einem rohrförmigen Begaser, dadurch gelöst, dass der rohrförmige Begaser im Begasungsbecken oder -behälter horizontal angeordnet ist, er in mindestens zwei Reihen nacheinander angeordnete Austrittsöffnungen für das Gas aufweist, wobei die oder mindestens zwei der Reihen oberhalb der Mittelachse des Begasers vorgesehen sind und sowohl zueinander und als auch zur Mittelachse des Begasers parallel angeordnet sind und die Austrittsöffnungen einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Austrittsöffnungen einen Durchmesser aufweisen, der im Bereich zwischen 30 µm und 80 µm, insbesondere im Bereich zwischen 60 µm und 70 µm liegt.
Sofern die Austrittsöffnungen nicht kreisförmig sind, wird als Durchmesser der größte Durchmesser bezeichnet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Reihen der Austrittsöffnungen in einem Abstand von mindestens 1 mm voneinander angeordnet und die Austrittsöffnungen in der Reihe mit einem Abstand ≤ 25 mm voneinander vorgesehen sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verfügt der Begaser zusätzlich unterhalb seiner Mittelachse und/oder seitlich über mindestens zwei Reihen an Austrittsöffnungen, wobei diese Reihen zueinander und zur Mittelachse des Begasers parallel angeordnet und die Austrittsöffnungen einer Reihe in Bezug auf die Austrittsöffnungen der anderen Reihe versetzt vorgesehen sind und alle Austrittsöffnungen einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen. Bei dieser wie auch bei den anderen Ausführungsformen können einzelne Austrittsöffnungen betriebsbedingt auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Vorzugsweise weist der Begaser auf der Ebene seiner Mittelachse beidseitig und parallel zur Mittelachse in einer Reihe Austrittsöffnungen mit einem Durchmesser ≤ 100 µm auf.
Typischerweise hat der Begaser einen vieleckigen oder ellipsenförmigen Querschnitt mit einer Fläche von 12 mm² bis 2000 mm².
Bevorzugt sind Austrittsöffnungen radial und in einem Winkel von 1° bis 89° bezogen auf die durch die Mittelachse des Begasers gehende Senkrechte angeordnet.
Gemäß weiterer Ausführungsformen besteht der Begaser aus Metall oder einem Kunststoff und besitzt er eine Wandstärke von 0,1 mm bis 20 mm.
Gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten, bei der das Begasungsmedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt wird, mit wenigstens einem Begasungsbecken oder - behälter und wenigstens einem rohrförmigen Begaser, dadurch gelöst, dass der rohrförmige Begaser im Begasungsbecken oder -behälter horizontal angeordnet ist, er in mindestens einer Reihe nacheinander angeordnete Austrittsöffnungen für das Gas aufweist, wobei die mindestens eine Reihe oberhalb und/oder unterhalb und/oder seitlich der Mittelachse des Begasers vorgesehen ist und die Austrittsöffnungen jeweils einen Durchmesser von ≤ 100 µm besitzen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des zweiten Erfindungsaspekts sieht vor, dass die Austrittsöffnungen einen Durchmesser aufweisen, der im Bereich zwischen 30 µm und 80 µm, insbesondere im Bereich zwischen 60 µm und 70 µm liegt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des zweiten Erfindungsaspekts sieht vor, dass die Austrittsöffnungen kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sind. Sofern die Austrittsöffnungen nicht kreisförmig sind, wird als Durchmesser der größte Durchmesser bezeichnet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des zweiten Erfindungsaspekts sieht vor, dass der Rohrbegaser mindestens zwei Reihen mit Austrittsöffnungen aufweist und/oder die Austrittsöffnungen in einem Abstand von mindestens 1 mm voneinander angeordnet und die Austrittsöffnungen in der Reihe mit einem Abstand ≤ 1000 mm voneinander vorgesehen sind. Beipielsweise sind mindestens eine Reihe oberhalb und mindestens eine Reihe unterhalb der Mittelachse des Begasers vorgesehen. Insbesondere können gemäß einem Ausführungsbeispiel mindestens zwei Reihen oberhalb und mindestens zwei Reihen unterhalb der Mittelachse des Begasers vorgesehen. Zusätzlich kann jeweils eine Reihe mit Austrittsöffnungen seitlich der Mittelachse ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Erfindungsaspekts verfügt der Begaser unterhalb seiner Mittelachse über mindestens ein Reihe an Austrittsöffnungen und bei zwei oder mehr Reihen an Austrittsöffnungen sind diese Reihen zueinander und zur Mittelachse des Begasers parallel angeordnet und die Austrittsöffnungen einer Reihe in Bezug auf die Austrittsöffnungen der anderen Reihe versetzt vorgesehen.
Vorzugsweise weist der Begaser auf der Ebene seiner Mittelachse beidseitig und parallel zur Mittelachse in einer Reihe kreisförmige oder elliptisch geformte Austrittsöffnungen auf.
Typischerweise hat der Begaser einen vieleckigen oder ellipsenförmigen Querschnitt mit einer Fläche von 12 mm² bis 2000 mm².
Gemäß einer Ausführungsformen des zweiten Erfindungsaspekts sind die Austrittsöffnungen radial und in einem Winkel von 1° bis 89° bezogen auf die durch die Mittelachse des Begasers gehende Senkrechte angeordnet.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die ellipsenförmigen Austrittsöffnungen selektiv mittels eines tangential in einem Winkel von 1° bis 90° zur horizontalen Achse des Rohrbegasers geführten Lasers in die Wandung des Rohrbegasers eingebracht sind.
Typischerweise sind die Austrittsöffnungen so angeordnet, dass sich die Bahn jeder einzelnen aufsteigenden Blase während der Verweilzeit im Begasungsbecken bzw. -behälter an keiner Stelle mit der Bahn einer anderen aufsteigenden Blase überlagert.
Gemäß weiterer Ausführungsformen des zweiten Erfindungsaspekts besteht der Begaser aus Metall oder einem Kunststoff und hat er eine Wandstärke von 0,1 mm bis 20 mm und/oder ist er mittels bekannter Verbindungsarten wie Kupplungen, Gewinde oder Schlauchverbinder an ein Luft- oder Gasverteilungssystem einschließlich Kompressor anschließbar.
Mit beiden Varianten der Erfindung verbindet sich der besondere Vorzug, dass das in das flüssige Medium vor dem Eintrag in eine maximale Zahl von Anteilen überführt und einer großen Grenzfläche = Diffusionsfläche zum flüssigen Medium und damit gleichermaßen für die Diffusion und für chemische Reaktionen bewirkt wird. Durch die Auflösung eines definierten Volumenstromes eines Gases in eine maximale Zerlegungszahl Z als Parameter für die maximale Anzahl kleiner Gasbläschen wird der Konzentrationsgradient als wirkende Kraft genutzt, damit Gas an der gesamten durch die Aufteilung des Volumenstromes erzeugten Oberfläche = Kontaktfläche = Diffusionsfläche aus dem von jedem einzelnen aufsteigenden Gasbläschen gebildeten einzelnen Gasraum in die Flüssigkeit diffundieren kann. Entsprechend der durch die Erfindung erzeugten Anzahl von Gasbläschen steht für die Diffusion eine adäquate Anzahl von Gasräumen zur Verfügung.
Die Erfindung bewirkt insofern eine Stabilisierung der Singularität eines sich einmal gebildeten Gasbläschens, das ohne mit einem anderen Gasbläschen zu koaleszieren sich als singuläres Bläschen auf seiner Bahn bis zum Erreichen der Oberfläche in der Flüssigkeit bewegt. Gleiches gilt für den Erhalt der Singularität von Gasblasen zum Zweck einer chemischen Reaktion. Durch die von ihr bewirkte Singularität trägt die Erfindung wesentlich zur Erhöhung der Kontaktfläche und damit der Diffusionsfläche von Gasvolumen und Flüssigkeit bei.
Im Unterschied zu zahlreichen herkömmlichen Begasern und Belüftern, in deren unmittelbarer Umgebung sich die Blasen chaotisch in der Flüssigkeit bewegen, bewegt sich jede Gasblase nach Austritt aus dem erfindungsgemäßen Begaser im Wasserkörper geordnet auf einer eigenen Bahn, welche sich mit keiner Bahn einer anderen aufsteigenden Blase überlagert.
Kann die Singularität jeder einzelnen Blase nicht gesichert werden, wie dies typischerweise bei Rohrbelüftern nach dem Stand der Technik der Fall ist, bei denen sich ein chaotischer Bereich mit Überlagerung der Bahnen aufsteigender Blasen, die gleichzeitig unterhalb und oberhalb der horizontalen Mittelachse aus dem Belüfter austreten, ausbildet, führt dies zu einer Reduktion der Zerlegungszahl Z und reduziert die davon abhängige Eintragseffizienz E_eff .
Der Grad der Reduktion von Zerlegungszahl Z sowie von Eintragseffizienz E_eff ergibt sich durch die Änderung des mittleren Volumens aller sich im Reaktionsraum/Reaktor befindlichen Blasen. Hat sich beispielsweise bei konstant bleibendem Volumenstrom die Zerlegungszahl der Blasen bei einer Bezugsblase von D₀ = 1000 mm durch Koaleszenz von Z₁₀ = 10 Blasen auf Z₈ = 8 Blasen geändert, ändert sich der Durchmesser D₁₀ = D₀ * (V₀/(Z₁₀ * V₀))^1/3 = D₀ *(1 / Z₁₀)^1/3 = 464,16 mm auf D₈ = D₀ * (1 / Z₈)^1/3 = 500,00 mm. D₈ / D₁₀ = 500,00 mm / 464,16 mm = 1,0772 [-] und 1,0772³=1,25 [-].
Das Verhältnis der Änderung der Zerlegungszahlen ist gleich dem Verhältnis der Änderung der Durchmesser. Es gilt: Z₁₀/Z₈ = (D₈/D₁₀)³. Im gewählten Beispiel sind Z₁₀/Z₈ = (D₈/D₁₀)³ = 10/8 = (500,00/464,14)³ = 1,25. Daraus folgt: (Z₁₀/Z₈ - 1) = ((D₈/D₁₀)³ -1) = 0,25 =̂ 25 %.
Mit der Änderung der Zerlegungszahl Z₁₀ = 10 auf Z₈ = 8 beträgt die Abweichung (1,25 - 1) * 100 = 25%. Als Folge der geänderten Zerlegungszahl ändert sich der Durchmesser von 464,14 auf 464,14 * (1 + 0,25)^1/3 = 500,00. Dies entspricht einer Reduktion der Eintragseffizienz E_eff von 25 % und einem erhöhten Energiebedarf von rechnerisch 25% sowie einem erhöhten Investitionsbedarf für das gesamte System zur Luft-/Gasförderung von ebenfalls rechnerischen 25 %.
Der Durchsatz durch einen Gummimembranbelüfter mit einer Bezugsblase von D₀ = 1000 mm und einem Durchmesser der aus dem Begaser austretenden Blasen von D₂ = 2 mm ergibt 125.000.000 Blasen. Ändert sich der durchschnittliche Durchmesser aller Blasen auf D_2,1 = 2,1 mm gilt ((D_2,1/D₂)³-1) = ((2,1/2,0)³-1) = 0,157625→1 + 0,157625 = 1,157625 125.000.000 / 1,157625 = 107.979.700 Blasen mit einem Durchmesser von 2,1 mm.
Kontrolle: (1/107.979.700)^1/3 * D₀ = 2,1
Die Zerlegungszahl Z ändert sich um (125.000.000/107.979.700 -1) * 100 = 15,8 %; die Eintragseffizienz sinkt um 15,8 %.
Die Diffusionsfläche ändert sich von 12,57 mm² * 125.000.000 = 1.571.250.000 mm² auf 13,85 mm² * 107.979.100 = 1.495.510.535 mm² → 0,952 * 100 = 95,2 %
Bei D_2,2 = 2,2 mm ergibt sich mit (2,2/2,0)³ = 1,331 → 125.000.000 / 1,331 = 93.914.350 Blasen mit einem Durchmesser von 2,2 mm
Kontrolle: (1/93.914.350)^1/3 * 1000 = 2,2
Die Zerlegungszahl Z ändert sich um (125.000.000/93.914.350 -1) * 100 = 33,1 %; alternativ: ((2,2/2,0)³ -1) * 100 = 33,1 %
Die Diffusionsfläche ändert sich von einem 12,57 mm² * 125.000.000 = 1.571.250.000 mm² auf 15,21 mm² * 93.914.350 = 1.428.437.264 mm² → 0,909 * 100 = 90,9 %
Daraus ergibt sich ein Bemessungsansatz für den Eintrag von Gasen in Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Diffusionsfläche. Hierzu wird der Sauterdurchmesser als durchschnittlichem Durchmesser aller eingetragenen Gasblasen eines Begasers oder eines Belüfters eingesetzt. Der Sauterdurchmesser ist bei einem definierten Volumenstrom bzw. Gasdurchsatz durch einen Begaser oder einen Belüfter unter den Einsatzbedingungen wie in einem Becken mit dem dort herrschenden hydrostatischen Druck sowie den Zustandsbedingungen Temperatur, Druck und Feuchte der angesaugten Luft/des angesaugten Gases und des Luftdrucks ein jedem Begaser bzw. Belüfter zuordenbarer spezifischer Wert.
Der Vorteil des Verfahrens mit der Messung des mittleren Durchmessers als Sauterdurchmesser der eingetragenen Gasblasen nach dem Begaser/Belüfter ist, dass die physikalische Größe des Durchmessers aller aus einem Begaser/Belüfter austretenden Gasblasen in Abhängigkeit des Volumenstroms bzw. Gasdurchsatzes unter den herrschenden Umgebungsbedingungen wie dem hydrostatischen Druck und Zustandsbedingungen wie Luftdruck sowie Temperatur und Feuchte der angesaugten Luft kontinuierlich gemessen werden kann, ohne die Sättigung der Flüssigkeit mit dem eingetragenen Gas oder einer Komponente des eingetragenen Gases mit in die Messungen einbeziehen zu müssen. Dadurch entsteht keine Wechselwirkung von eingetragener Menge und dem Zweck des Eintrags wie eine Sauerstoffkonzentration. Die Messung des Sauterdurchmessers erfolgt unabhängig von der jeweils erreichten Konzentration des eingetragenen Gases und kann auch bei Sättigung oder Übersättigung fortgesetzt werden. Auch ist die Messung des Sauterdurchmessers zeitlich nicht befristet, wie dies bei der Messung der O₂-Konzentration bei Sättigungsmessungen zur Ermittlung des Sauerstoffeintrages und der Sauerstoffsättigung in speziell hierfür aufbereiteten sauerstofffreieren Wasser durch die Meßmethodik und den Versuchsaufbau impliziert ist.
Damit ist es möglich, den durchschnittlichen Durchmesser aller Gasblasen nach dem Austritt aus einem Begaser bzw. Belüfter vorzugeben und diesem vorgegebenen Durchmesser begaserspezifisch bzw. belüfterspezifisch eine Durchsatzmenge oder einen Volumenstrom zuzuordnen. Aus der jeweiligen Zerlegungszahl Z wird die Verteilung eines angesaugten Volumenstroms bzw. Gasdurchsatzes ermittelt und damit wird die Diffusionsfläche des eingetragenen Volumenstroms bzw. Gasdurchsatzes ermittelt. Kann mit einem Begaser bzw. Belüfter ein vorgegebener Sauterdurchmesser nicht erreicht werden, lässt sich anhand des mit dem Begaser bzw. Belüfter erzielbaren minimalen bzw. maximalen Durchmessers ermitteln, um wie viel Energieaufwand und Eintragseffizienz von den Vorgaben abweichen.
Das soll beispielhaft wie folgt erläutert werden:
Die Vorgabe lautet, einen Gas- oder Volumenstrom von 100 l/s = 360 m³/h mit einem Sauterdurchmesser von 1 mm in eine Flüssigkeit einzutragen. Daraus ergeben sich folgende Diffusionsflächen.
V_1mm → 0,5236 mm³ und A_1mm = 3,14 mm²,
D_100l = 57,588 mm
100 l = 100.000 mm³ → 100.000/0,5236 = 190.985 Blasen
Diffusionsfläche: 190.985 * 3,14 mm² = 599.964 mm²
Gemessener Sauterdurchmesser: 1,5 mm
Bei D_1,5 = 1,5 mm ergibt sich mit (1,5/1,0)³ = 3,375 → 190.985 / 3,375 = 56.588 Blasen mit einem Durchmesser von 1,5 mm
Kontrolle: (1/56.588)^1/3 * 57,588 = 1,5 mm
Die Zerlegungszahl Z ändert sich um (190.985/56.588 -1) * 100 = 237,5 %;
alternativ: ((1,5/1,0)³ -1) * 100 = 237,5 %
Die Diffusionsfläche ändert sich von 3,14 mm² * 190.985 = 599.964 mm² auf 7,07 mm² * 56.588 = 400.077 mm² → 0,667 * 100 = 66,7 %
Gemessener Sauterdurchmesser: 0,95 mm
Bei D_0,95 = 0,95 mm ergibt sich mit (0,95/1,0)³ = 0,857375 → 190.985 / 0,857375 = 222.756
Blasen mit einem Durchmesser von 0,95 mm
Kontrolle: (1/222.756)^1/3 * 57,588 = 0,95
Die Zerlegungszahl Z ändert sich um (190.985/222.756-1) * 100 = -14,3 %;
alternativ: ((0,95/1,0)³ -1) * 100 = -14,3 %.
Die Diffusionsfläche ändert sich von 3,14 mm² * 190.985 = 599.964 mm² auf 2,84 mm² * 222.756 = 632.627 mm² → 1,054 * 100 = 105,4 %
Die beiden Bezugsgrößen Sauterdurchmesser oder Ansaugvolumen können so zur Leistungsermittlung bzw. zur Ermittlung der Eintragseffizienz von Begasern bzw. Belüftern herangezogen werden.
Von einem Begasermodul mit dem Durchmesser der Austrittsöffnungen sowie dem Abstand der Öffnungen entlang der Reihe der Bohrungen und dem Abstand der einzelnen Reihen zueinander, der Länge der Reihen und der Zahl der Öffnungen wird der Sauterdurchmesser bei verschiedenen Durchflussmengen/Betriebszuständen gemessen/ermittelt.
Ist der spezifische Sauterdurchmesser für den jeweiligen Durchfluss und den jeweiligen Betriebszustand dieses Moduls bekannt, kann er auf bauartgleiche Module mit denselben zuvor aufgeführten technischen Merkmalen und somit auf die gesamte Länge der Begasermodule übertragen werden, die für den jeweiligen Einsatz erforderlich sind/berechnet wurden.
Werden die Temperatur des angesaugten Gases/der angesaugten Luft sowie der Partialdruck des in die Flüssigkeit einzubringenden Gases oder der einzubringenden Gaskomponenten, die Feuchte des Gases bzw. der Luft und die Volumenänderung einer aufsteigenden Gasblase vom Austritt aus dem Begaser bzw. Belüfter bis zum Erreichen der Oberfläche der Flüssigkeit in die Betrachtung einbezogen, lassen sich die Diffusionsfläche einer Gasblase und damit die gesamte Diffusionsfläche aller Gasblasen zum jeweiligen Zeitpunkt in der Flüssigkeit berechnen.
Die Diffusion ist gekennzeichnet durch einen von selbst ablaufenden physikalischen Prozess und beruht auf ungerichteten Zufallsbewegungen aufgrund von Konzentrationsunterschieden. Die Diffusion lässt sich nicht steuern; die Diffusionsrate eines Stoffs oder Gases in das Lösungsmittel - hier Wasser - ist proportional der Konzentrationsdifferenz. Letztlich kann nur das Ergebnis des Diffusionsprozesses bzw. Ausgleichs der Konzentrationsunterschiede durch Messung der Konzentration des in das Lösungsmittel einzutragenden Gas im Lösungsmittel gemessen werden, beispielsweise ausgedrückt als O₂-Konzentration in mg/l oder als prozentualer Anteil zur Sättigung im Lösungsmedium. Muss das Fördervolumen erhöht oder gesenkt werden, kann der Volumenstrom bzw. die Fördermenge feiner und bedarfsangepasster eingestellt werden, wenn die Bezugsgröße für die Steuerung nicht pauschal der Volumenstrom in Maßeinheit pro Zeiteinheit wie m³/h verändert/angepasst wird und stattdessen der Volumenstrom an der Diffusionsfläche ausgerichtet ist. Die Diffusionsfläche erfolgt aus der Zerlegungszahl, die wiederum berücksichtigt, dass und wie sich die gerätespezifischen Sauterdurchmesser eines Begasers/Belüfters in Abhängigkeit vom Volumenstrom verändern.
Je feiner ein Volumenstrom in einem Begaser vor dem Eintritt des Gases in die Flüssigkeit zerlegt wird, d.h. je höher die Zerlegung, und je stabiler die Singularitäten der Blasen während der Aufenthaltszeit in der Flüssigkeit erhalten bleibt, umso stabiler bleibt die Diffusionsfläche des Volumenstroms und umso optimaler ist die Eintragseffizienz E_eff und damit der Energieeinsatz.
Diese Voraussetzungen werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Weise erfüllt, dass schon Öffnungsweiten von ≤ 100 µm an sich und mit einer Positionierung der Öffnungen in der Wand des Begasers die Koaleszenz durch eine Überlagerung der Bahnen austretender Blasen verhindert und eine einfache und schnelle Anpassung des Volumenstroms in Abhängigkeit vom Bedarf der jeweils eingetragenen Gaskomponente oder des jeweils eingetragenen Gases erfolgen kann. Wird in die Betrachtung einbezogen, dass die Kontaktzeit = Diffusionszeit vom Durchmesser einer Blase bestimmt wird, da Auftrieb und Auftriebsgeschwindigkeit umso niedriger sind, je niedriger das Volumen einer sich in einer Flüssigkeit befindenden Gasblase ist, wird der Vorteil einer hohen Zerlegungszahl für die Eintragseffizienz und damit für die Energieeffizienz des Eintrags eines Gases in eine Flüssigkeit evident.
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Zeichnungen weiter erläutert werden. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung die Draufsicht auf einen Rohrbegaser und dessen Querschnitt im Schnitt AA;
2 in schematischer Darstellung die Sicht auf einen Rohrbegaser von unten und dessen Querschnitt AA;
3 bis 6 jeweils in schematischer Darstellung Querschnitte von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Rohrbegasers, und
7a bis 8b jeweils in schematischer Darstellung Rohrbegaser mit elliptisch geformten Austrittsöffnungen.

Deutlich ist in 1 aus der Draufsicht zu erkennen, dass der Rohrbegaser 1 die in zwei Reihen angeordneten Austrittsöffnungen 2 aufweist. Die beiden Reihen sind parallel zueinander und parallel zur Mittelachse 3 des Begasers 1 angeordnet. Der Abstand der beiden Reihen zueinander beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 2 mm. Und innerhalb einer Reihe beträgt der Abstand zwischen zwei Austrittsöffnungen 6 mm. Die beiden Reihen der Austrittsöffnungen 2 sind jeweils im Winkel 4, 5 von ca. 20° bezogen auf die durch die Mittelachse 3 des Begasers 1 verlaufende Senkrechte 7 durch Lasern in den hier aus Edelstahl bestehenden Rohrbegaser 1, der eine Wandstärke von 0,5 mm und einen Durchmesser von 4 mm besitzt, eingebracht worden. Die Austrittsöffnungen 2 haben einen Durchmesser von bis zu 100 µm, beispielsweise einen Durchmesser von 30 µm.
Die einzelnen Austrittsöffnungen für das Gas werden gezielt positioniert. Hieraus ergibt sich der Unterschied zu herkömmlichen Belüftern mit einer auf deren gesamter Oberfläche flächendeckend eingebrachter maximaler Zahl von Öffnungen in der Gummimembran bzw. der Keramikwand.
Sofern der Rohrbegaser 1 nur eine einzelne Reihe an Austrittsöffnungen aufweisen soll, kann diese in der Wandung des Rohrbegasers 1 über dessen Mittelachse 3 oder an einer anderen beliebigen Stelle der Wandung oberhalb, seitlich oder unterhalb der Mittelachse 3 vorgesehen sein.
Die gezielte Positionierung bedingt bereits im Design eine eintrags- und energieeffiziente Anordnung/Positionierung der Öffnungen, die nur durch bestimmte Konstellationen von Positionen der Öffnungen und von Abständen der Positionen der Öffnungen zueinander erreichbar ist.
Mit dieser im Design beginnenden Optimierung und Abstimmung der Anordnung/Positionierung der Öffnungen wird die optimale Zahl der Öffnungen auf einer definierten Flächeneinheit eingebracht.
Die optimale Zahl von Austrittsöffnungen auf einer definierten Flächeneinheit wird bereits beim Design durch eine eigene die Eintragseffizienz sichernde Teil- oder Einzelfläche für jede Austrittsöffnung abgegrenzt.
Die optimale Zahl unterscheidet sich von der maximalen Zahl der Öffnungen auf der gesamten nur durch die geometrischen Abmessungen des Belüfters begrenzten Oberfläche. Erst mit der optimalen Zahl der Austrittsöffnungen auf einer definierten/festgelegten Fläche, die die Position von Austrittsöffnungen zu anderen Austrittsöffnungen soweit auf Distanz hält, dass die Singularität der Blasen gewährt bleibt, wird die Voraussetzung zur Verhinderung der Koaleszenz geschaffen.
Die optimale Zahl der Austrittsöffnungen ist eine Funktion des Durchmessers der einzelnen Austrittsöffnung, des Durchmessers und der Oberfläche einer ausgetretenen Gasblase sowie des Gasdurchsatzes bzw. Volumenstroms, wobei Durchmesser und Oberfläche der Gasblase von Systemdruck und hydrostatischem Druck sowie (Luft)Temperatur abhängig sind.
Daraus ergibt sich die effektive Fläche als die Summe der Teil- oder Einzelflächen, die von jeweils zwei Reihen von Öffnungen umschlossen wird. Sind -wie bei 1 - nur zwei Reihen in den Rohrbegaser eingebracht, bildet die von nur diesen beiden Reihen umschlossene Fläche die effektive Fläche.
Der Durchmesser der Austrittsöffnungen ist einsatzabhängig. Beispielsweise sind für den Eintrag von O₂ in hochbelasteten Abwässern eher klein(st)e Öffnungsdurchmesser wirtschaftlich vorteilhafter, um den O₂-Eintrag zu maximieren, während bei einer Kombination von O₂-Eintrag und Durchmischung größere Durchmesser der Austrittsöffnungen zu wählen sind.
Ein Begaser wird nur in Ausnahmefällen für den einen Gasdurchsatz/Volumenstrom ausgelegt werden (können). Das Betriebsoptimum als erster Designansatz ergibt sich aus dem häufigsten Betriebszustand = häufigsten Volumenstrom je Zeiteinheit. Diesem Volumenstrom wird eine Diffusionsfläche zugeordnet, die z. B. als alpha-Wert in der Abwassertechnik den anteiligen Übergang des insgesamt mit der Luft eingetragenen Sauerstoffs O₂ aus der Luft in das Wasser angibt.
Aus der Diffusionsfläche als von der Zerlegungszahl Z abhängige Größe ergibt sich der O₂-Eintrag als O₂-Diffusion; je größer die gesamte Diffusionsfläche, umso größer der Übergang und umso niedriger der einzutragende Volumenstrom und umso höher die Eintragseffizienz und umso effektiver Energieverbrauch bzw. umso höher der Wirkungsgrad. Der Eintrag von Ozon O₃ wird u. a. geregelt durch die Messung der O₃-Konzentration im Abstrom und durch Anpassung des Volumenstroms bei Konzentrationsänderungen.
Sind die Betriebsparameter bekannt, können entweder der geeignete Durchmesser und die optimale Zahl der Austrittsöffnungen für eine Bandbreite des Volumenstroms gewählt werden oder alternativ kann eine Kombination von Begasern mit jeweiligen eigenen Durchmessern und eigener Anzahl von Austrittsöffnungen eingesetzt werden.
Der Energiebedarf und damit die Eintragseffizienz E_eff der Begaserkonfiguration aus einer Mehrzahl einzelner spezifischer Begaser können mit betriebsabhängiger Ansteuerung einzelner Begaser optimiert werden.
2 zeigt die Sicht auf einen Rohrbegaser 1 von unten. Der Übersicht halber sind die zwei Reihen Austrittsöffnungen, die wie bei 1 oberhalb der Mittelachse auch bei diesem Rohrbegaser 1 vorhanden sind, hier nicht dargestellt. Zusätzlich verfügt der Rohrbegaser 1 nach 2 über zwei in Reihe angeordnete Austrittsöffnungen 8, 9. Sie sind in einem Winkel 10 von jeweils 30° bezogen auf die Senkrechte 7 angeordnet. Im Unterschied zu 1 sind die Austrittsöffnung 8 in Bezug auf die Reihe mit den Austrittsöffnungen 9 versetzt angeordnet und zwar um die Hälfte des Abstandes der Austrittsöffnungen 9 untereinander. Sind die Austrittsöffnungen 9 mit einem Abstand von 9 mm angeordnet, sind die Austrittsöffnungen 8 um 4,5 mm versetzt vorgesehen. Beide Austrittsöffnungen 8, 9 weisen hier einen Durchmesser von 50 µm auf. Der Abstand der Austrittsöffnung 9 untereinander beträgt jeweils 6 mm.
Zur Ausrichtung bei der Montage mit dem hier nicht dargestellten Kompressor sind die Aussparungen 6 vorgesehen.
Die 3 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rohrbegasers 1, die sich insbesondere durch die unterschiedliche Anzahl der Reihen an Austrittsöffnungen und deren Anordnung in verschiedenen Winkeln bezogen auf die Senkrechte 7 unterscheiden. Darüber hinaus unterscheiden sie sich danach, ob die Austrittsöffnungen ober- oder unterhalb der Mittelachse 3 oder beidseitig am Rohrbegaser 1 auf der Ebene der Mittelachse 3 vorgesehen sind. Deutlich ist zu erkennen, dass die Austrittsöffnungen radial angeordnet sind.
Dabei ist vorgesehen, dass die Austrittsöffnungen 2, 8, 9, 11, 14, 15, 16, 18, 19, 21, 22 so angeordnet sind, dass sich die Bahn jeder einzelnen aufsteigenden Blase während der Verweilzeit im Begasungsbecken bzw. -behälter an keiner Stelle mit der Bahn einer anderen Blase überlagert.
Mit den 7a und 8a sind in einer schematischen Darstellung im Schnitt eines Rohrbegasers 1 die Austrittsöffnungen 25 und 26 zu sehen, die selektiv mittels eines im Winkel zur horizontalen Achse 24 tangential geführten Laserstrahles in die Wandung 28 des Rohrbegasers 1 eingebracht wurden. Das tangentiale Durchdringen der gewölbten Wandung 28 gibt den Austrittsöffnungen ihre elliptische Form. In Abhängigkeit vom gewählten Winkel mit dem der Laser geführt wird und dem Ort, an dem der Laser auf die Wandung 28 trifft können die Größe der Fläche der Austrittsöffnungen 25 und 26 sowie deren Lage auf dem Rohrbegaser 1 exakt bestimmt werden.
So wären die Austrittsöffnungen entlang der horizontalen Achse 24 des Rohrbegasers 1 in Reihe angeordnet wenn der Laser in einem Winkel von 90° bezogen auf die horizontale Achse 24, sozusagen parallel zur Senkrechten 7 geführt wird.
Die 7b und 8b zeigen korrepondierend zu den 7a und 8a die jeweils selektiv aufgebrachten und in einer Reihe angeordneten elliptischen Austrittsöffnungen 25 und 26. Während 7b die Drausicht auf den Rohrbegasers 1 zeigt gibt 8b die Sicht von unten auf den Rohrbegaser 1 wieder.
Mit den 1 bis 8b soll die Erfindung nicht nur auf Begaser mit kreisförmigen Querschnitt begrenzt werden. Sie gleichermaßen für Rohrbegaser mit einem vieleckigen und ellipsenförmigen Querschnitt anwendbar. Ebenso ist sie auch für Rohrbegaser aus einem dafür geeigneten Kunststoff realisierbar.
Ein weiterer Vorzug der Erfindung ist mit ihrer starren Ausführung aus Edelstahl/Metall oder Kunststoff, letztere mit unterschiedlichen Elastizitäten wie beispielsweise im Unterschied zu starren Rohren nicht knickbare oder nur mit großen Biegeradien biegbare und damit im Unterschied zum starren Rohr elastischere Schläuche, verbunden. Die Öffnungen bleiben während der gesamten Nutzung konstant oder die Öffnungsflächen vergrößern sich im Unterschied zur Öffnungsweite beim Stillstand des Gastransports um maximal 10 %, wodurch der Energiebedarf kalkulierbar bleibt.
Eine Erhöhung des Volumenstroms führt nicht zu einem linearen Anstieg der Eintragseffizienz und ebenso nicht zur linearen Erhöhung der Kontaktfläche.
Die Erfindung zeichnet sich besonders aus durch eine hohe Zerlegung eines angesaugten Volumenstroms, ausgedrückt in der Zerlegungszahl Z und die damit verbundene Eintragseffizient E_eff, durch eine dauerhafte Konstanz der Öffnungsweiten durch die verwendeten Materialien Edelstahl oder sonstige Metalle und Kunststoff, letztere mit unterschiedlichen Elastizitäten und durch eine Anordnung der Öffnungen im Rohrbegaser zur Sicherung der Singularität jeder Blase auf ihrer Bahn vom Austritt aus dem Begaser bis zum Erreichen der Oberfläche der Flüssigkeit. Die Erfindung erfüllt damit wesentliche Kriterien für energieeffizienten und klimafreundlichen Eintrag von Gasen oder Gaskomponenten zu einem bestimmten Zweck in eine Flüssigkeit.
Mit der Erfindung können spezifische Designansätze für die Anordnung der Austrittsöffnungen sowie Leistungsdaten für einzelne Betriebszustände und die erforderliche Anzahl von Begasern oder Begaserkonfigurationen nach energieeffizienten Kriterien ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Begaser
2: Austrittsöffnung
3: Mittelachse
4: Winkel
5: Winkel
6: Aussparung
7: Senkrechte
8: Austrittsöffnung
9: Austrittsöffnung
10: Winkel
11: Austrittsöffnung
12: Austrittsöffnung
13: Winkel
14: Austrittsöffnung
15: Austrittsöffnungen
16: Austrittsöffnung
17: Winkel
18: Austrittsöffnung
19: Austrittsöffnung
20: Winkel
21: Austrittsöffnung
22: Austrittsöffnung
23: Winkel
24: Horizontale Achse
25: Austrittsöffnung
26: Austrittsöffnung
27: Längsachse
28: Wandung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0997183 A1 [0003]
EP 2910530 A1 [0004]
EP 2913310 A1 [0004]
DE 9013851 U1 [0005]
DE 8811072 U1 [0005]
DE 8805660 U1 [0005]
DE 4405961 C2 [0005]
DE 202015106563 U1 [0005]
DE 20316725 U1 [0005]
DE 102009060185 A1 [0006]
DE 10218073 A1 [0007]
EP 1497231 B1 [0007]
EP 1015101 B1 [0008]

Claims

Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten, bei der das Begasungsmedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt wird, mit wenigstens einem Begasungsbecken oder -behälter und wenigstens einem rohrförmigen Begaser, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Begaser (1) in dem Begasungsbecken oder -behälter horizontal angeordnet ist, er in mindestens zwei Reihen nacheinander angeordnete Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19) für das Gas aufweist, wobei die oder zumindest zwei der Reihen oberhalb der Mittelachse (3) vorgesehen und sowohl zueinander und als auch zur Mittelachse (3) des Begasers (1) parallel angeordnet sind und die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19) einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen.
Anordnung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen der Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19) in einem Abstand von mindestens 1 mm voneinander angeordnet und die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19) in der Reihe mit einem Abstand ≤ 25 mm vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) zusätzlich unterhalb und/oder seitlich der Mittelachse (3) mindestens zwei Reihen an Austrittsöffnungen (8, 9, 15, 16, 21, 22) aufweist, wobei die Reihen zueinander und zur Mittelachse (3) parallel angeordnet und/oder die Austrittsöffnungen (8, 15, 21) in Bezug auf die Austrittsöffnungen (9, 15, 21) versetzt vorgesehen sind und die Austrittsöffnungen (8, 9, 15, 16, 21, 22) einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) auf der Ebene der Mittelachse (3) beidseitig und parallel zur Mittelachse (3) in einer Reihe Austrittsöffnungen (12) aufweist, die einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) einen vieleckigen oder ellipsenförmigen Querschnitt mit einer Fläche von 12 mm² bis 2000 mm² aufweist.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19, 21, 22) radial und in einem Winkel von 1° bis 89° bezogen auf die durch die Mittelachse (3 des Begasers (1) gehende Senkrechte (7) angeordnet sind.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (2, 8, 9, 11, 14, 15, 16, 18, 19, 21, 22) so angeordnet sind, dass sich die Bahn jeder einzelnen aufsteigenden Blase während der Verweilzeit im Begasungsbecken bzw. -behälter an keiner Stelle mit der Bahn einer anderen Blase überlagert.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) aus Metall oder einem Kunststoff besteht.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) eine Wandstärke von 0,1 mm bis 20 mm besitzt.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) mittels bekannten Verbindungsarten wie Kupplungen, Gewinde oder Schlauchverbinder an ein Luft- und Gasverteilungssystem einschließlich Kompressor anschließbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Austrittsöffnungen betriebsbedingt einen anderen Durchmesser aufweisen als die übrigen Austrittsöffnung.
Anordnung zur Begasung von Flüssigkeiten, bei der das Begasungsmedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zugeführt wird, mit wenigstens einem Begasungsbecken oder -behälter und wenigstens einem rohrförmigen Begaser, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Begaser (1) in dem Begasungsbecken oder -behälter horizontal angeordnet ist, er in mindestens einer Reihe nacheinander angeordnete Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 25) für das Gas aufweist, wobei die mindestens eine Reihe oberhalb und/oder unterhalb und/oder seitlich der Mittelachse vorgesehen ist und die Austrittsöffnungen jeweils einen Durchmesser ≤ 100 µm besitzen.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 25, 26) kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) oberhalb der Mittelachse (3) mindestens zwei Reihen mit Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 25) aufweist und/oder die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 25) in einem Abstand von mindestens 1 mm voneinander angeordnet und die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 25) in der Reihe mit einem Abstand ≤ 1000 mm vorgesehen sind.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) unterhalb der Mittelachse (3) mindestens eine Reihe an Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 26) aufweist und bei zwei oder mehr Reihen an Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 26) die Reihen zueinander und zur Mittelachse (3) parallel angeordnet und die Austrittsöffnungen (2, 11, 14, 18, 19, 26) in Bezug auf die Austrittsöffnungen der anderen Reihe versetzt vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) auf der Ebene der Mittelachse (3) beidseitig und parallel zur Mittelachse (3) in einer Reihe die Austrittsöffnungen (12) oder elliptisch geformte Austrittsöffnungen (25, 26) aufweist.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) einen vieleckigen oder ellipsenförmigen Querschnitt mit einer Fläche von 12 mm² bis 2000 mm² aufweist.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (2, 8, 9, 11, 14, 15, 16, 18, 19, 21, 22) radial und in einem Winkel von 1° bis 89° bezogen auf die durch die Mittelachse des Begasers gehende Senkrechte angeordnet sind.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsenförmigen Austrittsöffnungen (25, 26) selektiv mittels eines tangential in einem Winkel von 1° bis 90° zur horizontalen Achse (24) des Rohrbegasers (1) geführten Laser in die Wandung (28) des Rohrbegasers (1) eingebracht sind.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (2, 8, 9, 11, 14, 15, 16, 18, 19, 21, 22, 25, 26) so angeordnet sind, dass sich die Bahn jeder einzelnen aufsteigenden Blase während der Verweilzeit im Begasungsbecken bzw. -behälter an keiner Stelle mit der Bahn einer anderen aufsteigenden Blase überlagert.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Begaser (1) aus Metall oder einem Kunststoff besteht und eine Wandstärke von 0,1 mm bis 20 mm besitzt und/oder der Begaser (1) mittels bekannten Verbindungsarten wie Kupplungen, Gewinde oder Schlauchverbinder an ein Luft- oder Gasverteilungssystem einschließlich Kompressor anschließbar ist.