DE102022201292A1

DE102022201292A1 - Begasungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022201292A1
Application number: DE102022201292.5A
Authority: DE
Inventors: Ehsan Mohseni; Sebastian Reinecke; Uwe Hampel
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-08-10
Also published as: WO2023152089A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Begasungsvorrichtung zum Begasen eines flüssigen Mediums mit einer Gaszuführung (1), einer Steuereinheit (3), einer Gasmodulationseinheit (4) und einem Blasendiffusor (5). Die Gaszuführung (1) ist dazu eingerichtet ist, der Steuereinheit (3), der Gasmodulationseinheit (4) und dem Blasendiffusor (5) ein Gas zuzuführen, die Steuereinheit (3) ist dazu eingerichtet ist, den Gasvolumenstrom oder den Druck des der Gasmodulationseinheit (4) zugeführten Gases so zu steuern und der Gasmodulationseinheit (4) zuzuführen, dass das Gas mit einem konstanten Gasvolumenstrom und/oder einem konstanten Gasdruck der Gasmodulationseinheit (4) zugeführt wird, und die Gasmodulationseinheit (4) ist dazu eingerichtet ist, den Gasvolumenstrom und bzw. oder den Druck zu variieren und über den mit mindestens einer Öffnung (7) versehenen Blasendiffusor (5) dem flüssigen Medium zuzuführen, so dass sich an der Öffnung (7) des Blasendiffusors (5) in dem flüssigen Medium mindestens eine Blase (6) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Begasungsvorrichtung zum Begasen eines flüssigen Mediums.
In vielen industriellen Verfahren muss ein Gas in einer Flüssigkeit gelöst oder verteilt werden. Hierfür werden in der Regel kleine Gasblasen verwendet, um einen Wärme- und Masseübertrag zu verbessern. Insbesondere im Bereich der Chemie, Biochemie, des Bergbaus, der Umweltverfahrenstechnik oder der Lebensmittelproduktion, beispielsweise bei der Abwasserbehandlung, der Mineralienverarbeitung, der Hefeproduktion oder für Kühlverfahren werden entsprechende Verfahren angewandt. Leider ist gerade hierbei das Generieren kleiner Blasen eine große Herausforderung. Insbesondere die Energiebilanz ist oft nachteilig, wobei beispielsweise DE 20 2017 002 548 U1 eine entsprechende Anordnung zur Begasung offenbart, die auf eine bessere Energiebilanz abzielt. Nachteilig hierbei ist allerdings die wenig flexible Anordnung.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es nämlich oftmals nicht möglich, die Ausbildung der Blasen (und somit auch die Blasengrößen) zu kontrollieren. Konventionelle Membranbegaser oder -belüfter beispielsweise generieren Gasblasen mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm, wobei aufgrund der Funktionsweise mit einer Membran lediglich eine grobe Steuerung der Gasblasengröße durch die Größe der als Perforation eingebrachten Öffnungen der Membran möglich ist.
Eine offensichtliche Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung kleinerer Öffnungen. Problematisch hierbei ist jedoch, dass aufgrund der größeren Dynamik, die kleinere Öffnungen mit sich bringen, der sogenannte „bubble in-rush“-Effekt auftritt, bei dem an der Öffnung, an der sich die Blase bildet, so schnell neue Blasen gebildet werden, dass die initial gebildete Blase sich noch nicht lösen konnte und mit der nachfolgenden Blase vereint wird, so dass die Blasengröße zunimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Begasungsvorrichtung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile vermeidet, mit der also zuverlässig möglichst kleine Blasen mit geringer Streuung der Blasengröße kontrolliert erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Begasungsvorrichtung zum Begasen eines flüssigen Mediums, typischerweise einer Flüssigkeit, d. h. eines Stoffes, der sich im flüssigen Aggregatzustand befindet, weist eine Gaszuführung, eine Steuereinheit, eine Gasmodulationseinheit und einen Blasendiffusor auf. Die Gaszuführung ist dazu eingerichtet, der Steuereinheit, der Gasmodulationseinheit und dem Blasendiffusor ein Gas zuzuführen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Gasvolumenstrom oder den Druck des der Gasmodulationseinheit zugeführten Gases so zu steuern, dass das Gas mit einem konstanten Gasvolumenstrom und bzw. oder einem konstanten Gasdruck der Gasmodulationseinheit zugeführt wird. Die Gasmodulationseinheit ist dazu eingerichtet bzw. dazu ausgebildet, den Gasvolumenstrom und bzw. oder den Druck des Gases zu variieren und über den mit mindestens einer Öffnung versehenen Blasendiffusor dem flüssigen Medium zuzuführen, so dass sich an der Öffnung des Blasendiffusors in dem flüssigen Medium mindestens eine Blase bildet.
Durch einen konstanten Gasdruck bzw. einen konstanten Gasvolumenstrom kann eine gleichmäßigere Blasenausbildung erreicht werden und die Parameter der Blasen wie Größe und Frequenz der Ausbildung werden, in Abhängigkeit von weiteren Parametern, einfacher einstellbar. Die Gasmodulationseinheit stellt hierfür ein einfach einzusetzendes Mittel zur Verfügung, das zudem flexibel einsetzbar ist. Zudem können hierdurch unerwünschte Phänomene wie „bubble in-rush“ vermieden werden und kleinere Blasendurchmesser als mit bisherigen Methoden können erzeugt werden, typischerweise im Submillimeterbereich. Zudem weisen die generierten Blasen eine nur geringe Größenabweichung voneinander auf. Unter dem Begriff „Begasung“ soll im Rahmen dieser Schrift der Eintrag von Gasen in ein flüssiges Medium verstanden werden, wobei hier im Falle der Belüftung der Eintrag von Luft bzw. Sauerstoff in ein flüssiges Medium gemeint ist.
Die Gasmodulationseinheit moduliert das Gas typischerweise mit einer akustischen Welle im Frequenzbereich von 150 Hz bis 180 Hz, um eine effiziente und zuverlässige Ausbildung von Blasen zu ermöglichen. Die Gasmodulationseinheit kann mindestens einen elektroakustischen Wandler und bzw. oder mindestens einen elektroakustischen Aktuator, beispielsweise einen Lautsprecher oder einen pneumatischen Oszillator, aufweisen, um zuverlässig den Druck des Gases oder den Gasvolumenstrom derart zu modulieren bzw. variieren, dass eine gezielte Blasenentstehung ermöglicht wird. Vorzugsweise wird der elektroakustische Wandler bzw. Aktuator mit einer Frequenz von weniger als 1 kHz betrieben, besonders vorzugsweise im Frequenzbereich von 150 Hz bis 250 Hz, insbesondere 150 Hz bis 180 Hz. Der Wandler bzw. Aktuator kann dazu eingerichtet sein, eine Druckamplitude zu generieren, wodurch der Maximalwert des Drucks um bis zu 30 Prozent oberhalb des kritischen Drucks liegen kann, d. h. um bis zu 30 Prozent oberhalb des minimalen Drucks, der nötig ist, um in der jeweiligen Flüssigkeit spontan Blasen entstehen zu lassen.
Die Gasmodulationseinheit und der Blasendiffusor können zusammen einteilig ausgestaltet sein, d. h. aus einem einzigen Teil bestehen bzw. in einem einzelnen Bauteil kombiniert sein, was auch als monolithische Ausführung oder integrale Ausführung bezeichnet wird und eine besonders kompakte und mechanisch stabile Bauform ermöglicht. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauform. Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, beide Einheiten zweiteilig auszugestalten, also zwei durch die Gaszuführung bzw. Gaszuführeinheit miteinander verbundene Bauteile vorzusehen, um eine möglichst flexible Anordnung herzustellen.
Das Gaszuführung ist typischerweise als Rohr ausgestaltet, das von einer Gasquelle kommend die genannten Einheiten miteinander verbindet. Um einen gezielten Gasfluss zu ermöglichen, kann an der Gaszuführung auch ein öffen- und schließbares Ventil angeordnet sein, in der Regel zwischen der Gasquelle und der Steuereinheit. Die Gaszuführung ist hierbei typischerweise mit einem runden Querschnitt ausgeführt, allerdings kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch ein ovaler, rechteckiger oder quadratischer Querschnitt vorgesehen sein.
Der Blasendiffusor kann mehrere Öffnungen aufweisen, um möglichst gezielt mehrere Blasen zu generieren. Die Öffnungen können hierbei in ihren Abmessungen und Formen identisch sein, es kann aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Öffnungen eine von den anderen Öffnungen abweichende Form und bzw. oder Größe aufweist.
Sofern mehrere Öffnungen verwendet werden, kann vorgesehen sein, an jeder der Öffnungen jeweils einen elektroakustischen Wandler und bzw. oder einen elektroakustischen Aktuator anzuordnen, damit gezielt an jeder dieser Öffnungen Blasen generiert werden können und somit unterschiedliche Blasenmuster erzeugt werden können. Vorzugsweise wird der jeweilige Wandler bzw. Aktuator innerhalb des Blasendiffusors jeweils direkt unterhalb der zugeordneten Öffnung angeordnet. Diese Wandler bzw. Aktuatoren können einzeln angesteuert werden, was beispielsweise über die Steuereinheit, die Gasmodulationseinheit und bzw. oder eine elektrische Ansteuereinheit erfolgen kann.
Die elektrische Ansteuereinheit kann generell mehrere Einheiten ansteuern, d. h. die Gasquelle, das Ventil, die Steuereinheit und bzw. oder die Gasmodulationseinheit und ist typischerweise als Computer bzw. Rechner ausgestaltet.
In bevorzugter Weise ist im Blasendiffusor eine akustische Dämpfungseinheit angeordnet, die dazu dient und eingerichtet ist, akustische Rückreflexionen (beispielsweise der Gasdruckwelle) vom Ende der Gaszuleitung zu verhindern und somit eine effizientere Blasengenerierung ermöglicht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Gas mit einem Gasdruck an die Gasmodulationseinheit weiterzuleiten, der niedriger ist als ein für die Blasenerzeugung kritischer Druck für das jeweilige Medium, vorzugsweise um bis zu 20 Prozentniedriger ist als ein für die Blasenerzeugung kritischer Druck für das jeweilige Medium. Hierdurch wird sichergestellt, dass Blasen erst generiert werden, wenn eine entsprechende Modulation des Gasdrucks durch die Gasmodulationseinheit erfolgt. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Gas mit einem Gasdruck an die Gasmodulationseinheit weiterzuleiten, der wie zuvor beschrieben niedriger als ein für die Blasenerzeugung kritischer Druck für das jeweilige Medium ist, und zudem durch den Wandler bzw. Aktuator eine Druckamplitude generiert wird, wodurch der Maximalwert des Drucks um bis zu 30 Prozent oberhalb des kritischen Drucks liegen kann, d. h. um bis zu 30 Prozent oberhalb des minimalen Drucks, der nötig ist, um in der jeweiligen Flüssigkeit spontan Blasen entstehen zu lassen. Anstelle eines konstanten und kontrollierten Gasdrucks kann auch ein konstanter Volumenstrom verwendet werden, der moduliert wird, was beispielsweise in industriellen Prozessen wie biologischer Abwasserbehandlung gewöhnlich bevorzugt wird. Hierbei ergibt sich eine erhöhte Frequenz der Blasenbildung.
Die Gasmodulationseinheit kann einen Signalgenerator aufweisen oder mit einem Signalgenerator verbunden sein, der dazu ausgebildet ist, den Gasvolumenstrom oder den Gasdruck durch die Gasmodulationseinheit mit harmonischen Modulationen einstellbarer Amplitude und Frequenz zu beaufschlagen. Durch derartige sinusförmige Modulationen kann gezielt und angepasst an das jeweilige flüssige Medium die Blasenentstehung unterstützt bzw. ermöglicht werden.
Die mindestens eine Öffnung weist typischerweise eine Größe von 0,5 mm bis 1 mm auf. Vorzugsweise ist die Öffnung rund, in weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch eine elliptische, rechteckige, quadratische oder achteckige Öffnung verwendet werden. Die angegebene Größe bezieht sich hierbei auf den Durchmesser bzw. die Länge der Öffnung.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass im Blasendiffusor unterhalb der Öffnung eine trichterförmige Zuführung vorgesehen ist, die sich in Richtung der Öffnung in ihrem Durchmesser verkleinert, so dass eine Fokussierung des Gases in Richtung der Öffnung erfolgt.
Ein Begasungsbecken weist eine Begasungsvorrichtung mit den beschriebenen Eigenschaften auf. Die Begasungsvorrichtung ist unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels in dem Begasungsbecken angeordnet, sofern das Becken mit der Flüssigkeit bzw. dem flüssigen Medium gefüllt ist, und mit der typischerweise außerhalb des Begasungsbeckens befindlichen Gasquelle verbunden. Das Begasungsbecken, das auch als Begasungsbehälter bezeichnet werden kann, kann einseitig offen ausgebildet sein, aber auch geschlossen ausgebildet sein und mit Mitteln zur Gasrückgewinnung versehen sein.
Bei einem Verfahren zum Generieren von Blasen in einem flüssigen Medium wird in dem mit dem flüssigen Medium gefüllten Begasungsbecken mit den beschriebenen Eigenschaften durch die unterhalb einer Oberfläche des flüssigen Mediums angeordnete Begasungsvorrichtung mit den genannten Eigenschaften ein Gas durch die Gaszuführung, die Steuereinheit, die Gasmodulationseinheit und dem Blasendiffusor geführt, wobei die Steuereinheit den Gasvolumenstrom und bzw. oder den Druck des zugeführten Gases so steuert, dass das Gas mit einem konstanten Gasvolumenstrom und/oder einem konstanten Gasdruck der Gasmodulationseinheit zuführt, wobei die Gasmodulationseinheit das Gas mit einer Gasdruckmodulation versieht und dem mit mindestens einer Öffnung versehenen Blasendiffusor zuführt, so dass sich an der Öffnung des Blasendiffusors mindestens eine Blase bildet, die dem flüssigen Medium zugeführt wird.
Das Verfahren kann also mit dem beschriebenen Begasungsbecken bzw. der beschriebenen Begasungsvorrichtung durchgeführt, d. h. das Begasungsbecken und die Begasungsvorrichtung sind zum Durchführen dieses Verfahren ausgebildet.
Die beschriebene Begasungsvorrichtung, das beschriebene Begasungsbecken und bzw. oder das beschriebene Verfahren kann zur Abwasserbehandlung eingesetzt werden, d. h. das flüssige Medium ist Abwasser und das verwendete Gas Sauerstoff oder Luft, das vorzugsweise in ein Belebtschlammbecken eingetragen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Begasungsvorrichtung bzw. das Verfahren auch verwendet werden zum Eintrag von Ozon in ein mit Flüssigkeit gefülltes Becken zur Spurenelimination, zur Sauerstoffzufuhr in der Aquakultur oder Fischzucht, zur Reinigung von Membranfiltern, zur Flotation in der Rohstoffförderung im Bergbau und im Bergbaurecycling, zum Reduzieren von Schallemission bei-off-shore-Arbeiten durch Ausbilden mindestens eines Blasenvorhangs, zur Medikamentenabgabe oder zur Vermischung und zum Stoffaustausch in chemischen Prozessen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 16 erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Ansicht einer Begasungsvorrichtung;
2 eine 1 entsprechende Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Begasungsvorrichtung mit einteilig ausgestalteter Gasmodulationseinheit und Blasendiffusor;
3 eine schematische Darstellung eines Ausbildens einer Blase an einer Öffnung durch einen elektroakustischen Modulator;
4 eine 3 entsprechende Ansicht mit mehreren sich bildenden Blasen;
5 eine 3 entsprechende Ansicht mit dem Ausbilden von Blasen durch einen modulierten Gasvolumenstrom;
6 eine 5 entsprechende Ansicht mit mehreren Blasen;
7 eine 3 entsprechende Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem an den Öffnungen Blasen unabhängig voneinander generiert werden;
8 eine 1 entsprechende Ansicht eines Ausführungsbeispiels mit einer stehenden Welle im Blasendiffusor;
9 eine schematische Draufsicht auf eine Begasungsvorrichtung mit einem mäanderförmig geführten Rohr;
10 eine Begasungsvorrichtung in seitlicher Ansicht mit trichterförmigen Öffnungen;
11 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Begasungsbeckens;
12 ein Diagramm einer Modulation eines Gasdrucks;
13 Diagramme unterschiedlicher Phasen der Blasengenerierung;
14 ein Diagramm der Frequenzabhängigkeit von Blasengröße und Blasenentstehungsfrequenz;
15 ein Diagramm einer Frequenzabhängigkeit der Blasengröße für verschiedene Frequenzen eines akustischen Signals und
16 Aufnahmen der Blasenentstehung.

1 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht eine Begasungsvorrichtung bzw. Blasengenerierungsvorrichtung, bei der über eine Gaszuführung 1, die auch als Gaszuführvorrichtung bezeichnet werden kann, ein zur Blasengenerierung zu verwendendes Gas von einer in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Gasquelle zugeführt wird. Die Gaszuführung 1 kann über ein Ventil 2 geöffnet und geschlossen werden. Die Steuereinheit 3 steuert einen Gasvolumenstrom bzw. Gasfluss und bzw. oder einen Gasdruck derart, dass von der Steuereinheit 3 über die rohrförmige Gaszuführung 1 eine Gasmodulationseinheit 4 mit einem konstanten Gasvolumenstrom bzw. einem konstanten Gasdruck versorgt wird. Wird der Gasvolumenstrom konstant gehalten, kann jedoch typischerweise nur eine Entstehungsfrequenz der Blasen kontrolliert werden, bei einem konstanten Gasdruck zusätzlich auch die Blasengröße. Die Gasmodulationseinheit 4 versieht das Gas mit einer Gasdruckmodulation oder einer Gasvolumenstrommodulation, d. h. variiert den Gasdruck als Druck des Gases und bzw. oder den Gasvolumenstrom, und das Gas wird über die Gaszuführung 1, die nach der Gasmodulationseinheit 4 in diesem Ausführungsbeispiel als Gaszuleitung 15 bezeichnet und weitergeführt wird, von der Gasmodulationseinheit 4 einem Blasendiffusor 5 zugeführt. Der Blasendiffusor 5 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgeführt und weist eine kreisförmige Oberfläche auf, in die mehrere Öffnungen eingebracht sind. An den Öffnungen bilden sich dann mehrere Blasen 6, die in eine Flüssigkeit abgegeben werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gasmodulationseinheit 4 und der Blasendiffusor 5 als zwei separate Bauteile ausgestaltet, d. h. zwei räumlich beabstandete Bauteile, die über die Gaszuführung 1 miteinander verbunden sind. Die Modulationen werden durch eine Dämpfungseinheit 14 gedämpft, die am Ende der Gaszuleitung 15 angeordnet ist und akustische Rückreflexionen in Richtung der Gasmodulationseinheit 4 verhindert.
In 2 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Gasmodulationseinheit 4 und der Blasendiffusor 5 integral ausgestaltet sind, d. h. innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich ist nun noch ein Begasungsbecken 16 dargestellt, das einseitig offen ist an einer der Begasungsvorrichtung abgewandten Seite und mit einer Flüssigkeit 8 bzw. einem Stoff in seiner flüssigen Phase gefüllt ist. Die Begasungsvorrichtung ist unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, d.h. unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche, angeordnet, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel nur die Gasmodulationseinheit 4 und der einteilig damit ausgeführte Blasendiffusor 5 innerhalb des Begasungsbeckens 16 angeordnet sind, wohingegen das Ventil 2 und die Steuereinheit 3 außerhalb des Begasungsbeckens 16 angeordnet sind. In weiteren Ausführungsbeispielen kann aber natürlich auch die Steuereinheit 3 und das Ventil 2 innerhalb des Begasungsbeckens 16 angeordnet sein, lediglich die Gasquelle verbleibt in der Regel außerhalb.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gasmodulationseinheit 4 mit einem elektroakustischen Aktuator 9 versehen, der sich über die gesamte Länge der Gasmodulationseinheit 4 unterhalb der Öffnungen 7 erstreckt und in einem bis auf die Gaszuführung 1 und die Öffnungen 7 gasdicht geschlossenen Gehäuse untergebracht ist. Dieser Aktuator 9 generiert Gasdruckfluktuationen, die zur Blasenausbildung an den Öffnungen 7 führen.
In ähnlicher Weise ist in 4 in einer 3 entsprechenden Ansicht ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem mehrere Öffnungen 7 nebeneinander angeordnet sind, an denen jeweils eine Blase 6 ausgebildet wird. Unterhalb der Öffnungen 7 ist jeweils ein eigener bzw. separater elektroakustischer Aktuator 9 angeordnet, wobei die elektroakustischen Aktuator 9 als Modulator unabhängig voneinander angesteuert werden können. Hierzu kann beispielsweise ein Computer verwendet werden, der die Gasmodulationseinheit 4 (und somit auch die elektroakustischen Modulatoren 9) und die Steuereinheit 3 ansteuert.
In 5 ist in einer 3 entsprechenden Ansicht eine der Öffnungen 7 dargestellt, wobei nun allerdings die Blasengenerierung nicht durch einen elektroakustischen Aktuator 9 generiert wird, sondern vielmehr durch eine Modulation des Gasdrucks, d. h. eine Gasdruckwelle 10 pflanzt sich in der Gasmodulationseinheit 4 fort. Eine entsprechende Anordnung mit mehreren Öffnungen 7, an denen jeweils eine Blase 6 generiert wird, ist in 6 in einer 3 entsprechenden Ansicht gezeigt.
Durch Anordnen eines separaten elektroakustischen Aktuators 9 unterhalb jeder der Öffnungen 7 kann, wie in 7 gezeigt, ein beliebiges Blasenmuster erzeugt werden. Während an zwei der Öffnungen 7 in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel Blasen 6 gebildet werden, entsteht durch eine entsprechende Ansteuerung an der mittleren Öffnung 7 keine Blase 6. In diesem Fall werden also selbst an benachbarten Öffnungen 7 nicht gleichzeitig Blasen generiert.
Zudem kann auch vorgesehen sein, eine stehende Welle 11 innerhalb der Gasmodulationseinheit 4 auszubilden, wie in 8 in einer 1 entsprechenden Ansicht gezeigt. Das Ausbilden der stehenden Welle, d. h. der dafür in Frage kommende Frequenzbereich, hängt natürlich von der Länge bzw. der Breite des Blasendiffusors 5 ab. Bedingt durch die Länge des Blasendiffusors 5 bildet sich die stehende Welle 11 innerhalb des Gehäuses aus, wodurch eine Energieeffizienz der Gasmodulationseinheit 4 erhöht werden kann. Die akustische Welle kann parallel oder rechtwinklig zu den Öffnungen 7 geführt werden.
Zudem kann die Effizienz auch dadurch erhöht werden, dass die Gaszuführung 1 mäanderförmig ausgestaltet wird bzw. nach der Gasmodulationseinheit 4 ein mit den Öffnungen 7 perforiertes Rohr 12 oder ein entsprechend perforierter Kanal vorgesehen ist. Die Öffnungen 7 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel alle auf der gleichen Seite des Rohrs 12 angebracht, d. h. ihre Oberflächennormalen weisen alle in die gleiche Richtung. 9 zeigt in einer Draufsicht im linken Teil eine Oberseite des Blasendiffusors 5 mit den Öffnungen 7, im rechten Teil dann die darunter befindliche Lage mit dem perforierten Rohr 12. Eine entlang des Rohrs 12 geführte Druckwelle bildet entlang des zurückgelegten Wegs kontinuierlich Blasen 6 aus, so dass Blasen 6 mit einem bestimmten zeitlichen Abstand von benachbarten Öffnungen 7 gelöst werden und ein räumlich und zeitlich vorgegebenes Muster der Gasinjektion wird realisiert. Hierdurch werden unerwünschte Wechselwirkungen wie ein Zusammengehen einzelner, nacheinander an der gleichen Öffnung 7 erzeugter Blasen, reduziert.
10 offenbart in seitlicher Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Gaszuführung 1 in einen Hohlraum der Gasmodulationseinheit 4 mündet, die nun von unten eine Modulation des zugeführten Gases vornimmt. Unterhalb der Öffnungen 7 als Perforationen in einer Platte sind Trichter 13 bzw. trichterförmige Strukturen vorgesehen, die das Gas auf die Öffnungen 7 fokussieren. Durch eine lokale Fokussierung von Druckwellen kann die benötigte elektrische Energie zum Generieren der Blasen 6 reduziert werden im Vergleich zu einer Situation, in der die Druckwelle direkt auf die perforierte Platte trifft.
11 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht das Begasungsbecken 16, mit darin angeordneter Begasungsvorrichtung mit mehreren Blasendiffusoren 5 und einer mäanderförmigen Verbindung zwischen diesen. Somit kann flächig ein Einbringen von gasblasen in die in dem Begasungsbecken 16 enthaltenen Flüssigkeit 8, beispielsweise Abwasser, erfolgen, bei dem über den Öffnungen 7 eine Flüssigkeitssäule mit einer Höhe im Bereich von typischerweise 4 m bis 5 m liegt, wobei auch geringere und größere Flüssigkeitssäulen möglich sind. Bei der biologischen Abwasserbehandlung wird typischerweise Luft oder reiner Sauerstoff als Gas verwendet, je nach Anwendungszweck können aber auch andere Gase eingebracht werden, beispielsweise Ozon zur Spurenelimination, Biogas bzw. Klärgas oder Kohlenstoffdioxid zur Membranreinigung. Weitere Anwendungsbeispiele sind Sauerstoffzufuhr in der Aquakultur oder Fischzucht, Flotation in der Rohstoffförderung im Bergbau und im Bergbaurecycling, Reduzierung von Schallemission bei off-shore-Arbeiten durch Ausbilden mindestens eines Blasenvorhangs, zur Medikamentenabgabe oder zur Vermischung und zum Stoffaustausch in chemischen Prozessen.
Typischerweise wird die Begasungsvorrichtung kontinuierlich betrieben, es kann aber auch ein stoßweises Aussenden von Druckwellen vorgesehen sein. In weiteren Ausführungsformen kann zusätzlich zur Steuereinheit 3 als Drucksteuereinheit, die das Druckniveau auf ein bestimmtes Niveau festlegt, auch ein akustischer Dämpfer bzw. die akustische Dämpfungseinheit 14 vorgesehen sein, der eine Reflexion von akustischen Wellen am Ende des Blasendiffusors 5, der Gaszuführung 1 oder dem Rohr 12 unterbindet. Außerdem kann es vorgesehen sein, die Gasmodulationseinheit 4 mit einem Signalgenerator zu verbinden bzw. die Gasmodulationseinheit 4 umfasst bereits den Signalgenerator, so dass harmonische Signale, also sinusförmige Wellen, mit einstellbarer Amplitude und Frequenz erzeugt werden. Hierbei kann auch ein elektrischer oder elektronischer Verstärker vorgesehen sein, der die Signale des Signalgenerators verstärkt.
Die Größe der entstehenden Blasen 6 wird durch mehrere Parameter festgelegt, nämlich die Größe der Öffnungen 7, die Frequenz des Drucks des modulierten Signals, die Signalamplitude und die Druckdifferenz zwischen dem Gas in der Gaszuführung 1 bzw. damit verbundener Teile und einem kritischen Druckniveau, das für die Blasenentstehung in der jeweiligen Flüssigkeit 8 gilt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Gas auf einem Druckniveau des statischen Drucks gehalten wird, das 20 Prozent unterhalb dieses kritischen Niveaus liegt, d. h. 20 Prozent unterhalb des minimalen Drucks, bei dem sich Blasen 6 auszuformen beginnen. Die Steuereinheit 3 ist typischerweise dazu ausgebildet, dieses Niveau mit einer Genauigkeit von 1 Prozent zu halten. Wie in 12 gezeigt kann durch ein kontinuierliches sinusförmiges Drucksignal, das von dem Signalgenerator erzeugt und über einen Verstärker auf einen Lautsprecher der Gasmodulationseinheit 4 übertragen wird, eine akustische Druckwelle generiert werden, die sich entlang der Gaszuführung 1 und bzw. oder des Rohrs 12 ausbreitet. Der sich daraus ergebende oszillierende Momentanwert des Drucks ist in 12 in seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. In 12 sind drei Perioden eines beispielhaften Signals gezeigt, in dem das Originalsignal des Signalgenerators verglichen wird mit Druckvariationen. Die Druckwelle zeigt eine halbe Periode lang eine Gaskompression, gefolgt von einer Entspannung für den Rest der Periode. Der maximale akustische Druckgradient reicht aus, um zu einer spontanen Ausbildung einer Blase 6 zu gelangen, sobald der kritische Druck überschritten wird. Die Durchmesser der erzeugten Blasen 6 können typischerweise zwischen 0,01 mm und 5 mm eingestellt werden.
Beispielsweise kann mit einer Druckwelle einer Frequenz von 165 Hz und einem Druck von 0,6 kPa unterhalb des kritischen Drucks (der in diesem Beispiel, 103,5 kPa entspricht) eine Blasenausbildung erreicht werden, da das lokale Druckniveau unterhalb einer der Öffnungen 7 durch die Druckwelle auf ein Druckniveau oberhalb des kritischen Drucks gebracht wird, und somit eine spontane Blasenentstehung einsetzt, bei der sich innerhalb von wenigen Millisekunden eine Blase bildet.
13 zeigt in einem Diagramm die unterschiedlichen Phasen der Blasenausbildung. Hierbei ist jeweils der normierte und daher nicht mit einer Einheit versehene Druck über der Zeit aufgetragen. 13a) zeigt die Begasungsvorrichtung bei kleinen akustischen Frequenzen. Wenn in diesem ersten Betriebsmodus die erste akustische Welle die Öffnung 7 erreicht, wird eine ausreichend große Druckdifferenz zum Herstellen von Blasen 6 bereitgestellt. Aufgrund der niedrigen Frequenz hat die Blase 6 genug Zeit zum Wachsen und die Auftriebskraft fällt ins Gewicht. Das Ablösen der Blase 6 von der Öffnung 7 ist dabei auch der Auftriebskraft geschuldet. Das initiale Ablösen der Blase 6 erfolgt zum Zeitpunkt t_d<0,5t_p, d. h. zu einem Zeitpunkt, bei dem die Druckdifferenz durch die akustische Welle positiv ist. t_p bezeichnet dabei die Zeitdauer einer kompletten Periode der Druckwelle und t_d die Zeit, die benötigt wird, damit die Blase 6 sich von der Öffnung 7 lösen kann. In diesem ersten Betriebsmodus kann ein Start der Blasenausbildung kontrolliert werden, nicht jedoch die Blasengröße.
13b) zeigt einen zweiten Betriebsmodus, bei der die Blasenausbildung zwischen 0,5t_p<t_d<0,75t_p stattfindet. Während der Blasenausbildung expandiert und kontrahiert die Blase 6 sukzessive und es bildet sich schließlich eine kleine Blase 6. Das Ablösen wird in diesem Fall durch hydrodynamische Kräfte bestimmt. Bei diesem zweiten Betriebsmodus können die Blasengröße und die Frequenz der Blasenbildung durch Anpassen der Eigenschaften der akustischen Welle bestimmte werden. Hierbei können beispielsweise in einem Frequenzbereich von 168 Hz bis 182 Hz der akustischen Welle Blasengrößen zwischen 0,5 mm und 0,7 mm erzeugt werden. Wird die Druckdifferenz erhöht, wird die Frequenz tendenziell niedriger, beispielsweise 154-612 Hz und die Größe der Blasen beträgt 1,1-1,5 mm.
13c) stellt einen dritten Betriebsmodus dar, in dem weder die Blasengröße noch die Entstehungsfrequenz der Blasen kontrolliert werden können. Die Zeitdauer der Blasenentstehung ist 0,75t_p<t_d<t_p. In diesem Betriebsmodus ist die Wartezeit für das Ablösen zu kurz, als dass sich die Blase 6 von der Öffnung 7 lösen könnte. Schließlich zeigt 13d) noch einen vierten Betriebsmodus für hohe Frequenzen der akustischen Welle. In diesem Fall ist die Frequenz zu hoch gewählt und die Blase 6 kann sich nicht von der Öffnung 7 lösen. Prinzipiell kann aber mit beliebigen Frequenzen eine kontinuierliche Entstehung von Blasen 6 mit definierten Eigenschaften erfolgen, sofern das ursprüngliche Druckniveau entsprechend eingestellt wird. Aus diesem Grund wird die Steuereinheit 3 eingesetzt, um einen konstanten Gasdruck bzw. einen konstanten Gasvolumenstrom bereitzustellen, so dass durch Anpassen der Parameter der Modulation durch die Gasmodulationseinheit 4 der erste Betriebsmodus oder der zweite Betriebsmodus erreicht werden kann. Allerdings gilt auch, dass die Betriebsmodi sowohl von dem verwendeten Gas und der verwendeten Flüssigkeit 8 als auch der Größe der Öffnungen 7, der Flüssigkeitssäule über den Öffnungen 7, Amplitude und Frequenz der akustischen Welle und schließlich der Antwort der Begasungsvorrichtung auf den angedachten Frequenzbereich abhängt. 16 stellt entsprechend die Blasenentstehung in den verschiedenen Betriebsmodi dar, wobei 16a) den ersten Betriebsmodus, 16b) den zweiten Betriebsmodus, 16c) den dritten Betriebsmodus und 16d) den vierten Betriebsmodus zeigt.
14 zeigt beispielhaft die Variation der Blasengröße im linken Teil der Figur und der Blasenfrequenz im rechten Teil der Figur mit der Signalfrequenz im zweiten Betriebsmodus. Die Größe der Öffnung 7 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 0,81 mm. Das hydrostatische Druckniveau wird konstant gehalten bei 200 mm oberhalb der Öffnung 7 und die Messung wird bei Atmosphärendruck durchgeführt. Zudem wird die Amplitude des akustischen Signals konstant gehalten. Unabhängig von der Druckdifferenz wird die maximal erreichbare Blasengröße bei 161 Hz erreicht, wohingegen die Frequenz der Blasenerzeugung von der Frequenz des akustischen Signals abhängt. In besonders vorteilhafte Weise kann die Frequenz des akustischen Signals auf die Resonanzfrequenz der verwendeten Begasungsvorrichtung abgestimmt werden, wie in 15 in einem entsprechenden Diagramm gezeigt.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
Bezugszeichenliste

1: Gaszuführung
2: Ventil
3: Steuereinheit
4: Gasmodulationseinheit
5: Blasendiffusor
6: Blase
7: Öffnung
8: Flüssigkeit
9: Aktuator
10: Gasdruckwelle
11: stehende Welle
12: perforiertes Rohr
13: Trichter
14: Dämpfungseinheit
15: Gaszuleitung
16: Begasungsbecken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202017002548 U1 [0002]

Claims

Begasungsvorrichtung zum Begasen eines flüssigen Mediums mit einer Gaszuführung (1), einer Steuereinheit (3), einer Gasmodulationseinheit (4) und einem Blasendiffusor (5), wobei die Gaszuführung (1) dazu eingerichtet ist, der Steuereinheit (3), der Gasmodulationseinheit (4) und dem Blasendiffusor (5) ein Gas zuzuführen, die Steuereinheit (3) dazu eingerichtet ist, den Gasvolumenstrom oder den Druck des der Gasmodulationseinheit (4) zugeführten Gases so zu steuern und der Gasmodulationseinheit (4) zuzuführen, dass das Gas mit einem konstanten Gasvolumenstrom und/oder einem konstanten Gasdruck der Gasmodulationseinheit (4) zugeführt wird, und die Gasmodulationseinheit (4) dazu eingerichtet ist, den Gasvolumenstrom und/oder den Druck zu variieren und über den mit mindestens einer Öffnung (7) versehenen Blasendiffusor (5) dem flüssigen Medium zuzuführen, so dass sich an der Öffnung (7) des Blasendiffusors (5) in dem flüssigen Medium mindestens eine Blase (6) bildet.
Begasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmodulationseinheit (4) mindestens einen elektroakustischen Wandler und/oder mindestens einen elektroakustischen Aktuator (9) aufweist.
Begasungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmodulationseinheit (4) und der Blasendiffusor (5) integral ausgestaltet sind.
Begasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasendiffusor (5) mehrere Öffnungen (7) aufweist, an denen jeweils ein elektroakustischer Wandler und/oder ein elektroakustischer Aktuator (9) zum Ausbilden unterschiedlicher Blasenmuster angeordnet ist.
Begasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Blasendiffusor (5) eine akustische Dämpfungseinheit (14) angeordnet ist, die zum Verhindern von Rückreflektionen ausgebildet ist.
Begasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) dazu eingerichtet ist, das Gas mit einem Gasdruck an die Gasmodulationseinheit (4) weiterzuleiten, der um bis zu 20 Prozent niedriger ist als ein für die Blasenerzeugung kritischer Druck für das jeweilige flüssige Medium.
Begasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmodulationseinheit (4) einen Signalgenerator aufweist oder mit einem Signalgenerator verbunden ist, der ausgebildet ist, den Gasvolumenstrom oder den Gasdruck durch die Gasmodulationseinheit (4) mit harmonischen Modulationen einstellbarer Amplitude und Frequenz zu beaufschlagen.
Begasungsbecken mit einer Begasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Generieren von Blasen in einem flüssigen Medium, bei dem in dem mit dem flüssigen Medium gefüllten Begasungsbecken nach Anspruch 8 durch die unterhalb einer Oberfläche des flüssigen Mediums angeordnete Begasungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ein Gas durch die Gaszuführung (1), die Steuereinheit (3), die Gasmodulationseinheit (4) und dem Blasendiffusor (5) geführt wird, wobei die Steuereinheit (3) den Gasvolumenstrom und/oder den Druck des zugeführten Gases so steuert, dass das Gas mit einem konstanten Gasvolumenstrom und/oder einem konstanten Gasdruck der Gasmodulationseinheit (4) zuführt, wobei die Gasmodulationseinheit (4) das Gas mit einer Gasvolumenstrommodulation und/oder einer Gasdruckmodulation versieht und dem mit mindestens einer Öffnung (7) versehenen Blasendiffusor (5) zuführt, so dass sich an der Öffnung (7) des Blasendiffusors (5) mindestens eine Blase(6) bildet, die dem flüssigen Medium zugeführt wird.
Verwendung einer Begasungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, eines Begasungsbeckens nach Anspruch 8 und/oder eines Verfahrens nach Anspruch 9 zur Abwasserbehandlung, insbesondere zum Eintrag von Luft oder Sauerstoff in ein Belebtschlammbecken oder zum Eintrag von Ozon in ein Becken zur Spurenelimination, zur Sauerstoffzufuhr in der Aquakultur oder Fischzucht, zur Reinigung von Membranfiltern, zur Flotation in der Rohstoffförderung im Bergbau und im Bergbaurecycling, zum Reduzieren von Schallemission bei off-shore-Arbeiten durch Ausbilden mindestens eines Blasenvorhangs, zur Medikamentenabgabe oder zur Vermischung und zum Stoffaustausch in chemischen Prozessen.