DE1457329C - Vorrichtung zum Auflösen eines Gases in einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auf- Blätter nicht mehr als ein Viertel des Durchmessers

lösen eines über einer Flüssigkeit stehenden Gases der Scheibe beträgt. Zweckmäßigerweise beträgt die

in dieser Flüssigkeit, mit einer um eine lotrechte Achse Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe während des

umlaufenden horizontalen Kreisscheibe, die am Umfang Betriebes 3 bis 6 m/Sek.

mehrere gleichmäßig verteilt angebrachte, sich vom 5 Ein für das Zuführen von Gas zu den Blattrück-Scheibenrand aus einwärts und axial erstreckende Seiten hinsichtlich des Energiebedarfs und der DurchBlätter aufweist. mischungswirkung von Gas und Flüssigkeit optimaler

Derartige Vorrichtungen haben den Zweck, das Bereich ist dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient über der Flüssigkeit befindliche Gas so innig mit

dieser in Berührung zu.bringen, daß ein Auflösen des io ' _EintaUchtiefe + Blatthöhe .

Gases in der Flüssigkeit erfolgt. Ein besonders wichti-

ges Anwendungsgebiet ist das Belüften von Wasser. . > periphere Geschwindigkeitshöhe

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einer unterhalb des Flüssigkeitsspie- im Bereich von 0,1 bis 0,6 und der Quotient
gels angeordneten, mit Blättern versehenen Kreis- 15
scheibe erfolgt das Durchmischen der Flüssigkeit mit Eintauchtiefe ~"^r

der Luft durch eine kräftige Verwirbelung der Flüssig- _{: ;} |

keit, wobei die in Form von Bläschen an der Flüssig- periphere Geschwindigkeitshöhe »

keitsoberfläche mitgerissene Luft sich zumindest

teilweise in der Flüssigkeit löst. Die Wirksamkeit so im Bereich von etwa 0,15 bis 0,30 liegt.

dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch dadurch Der Begriff »periphere Geschwindigkeitshöhe« wird

begrenzt, daß die Verwirbelung der Flüssigkeit nur in in der nachfolgenden Beschreibung noch näher erläu-

den Bereichen zum Auflösen von Luft führt, wo die tert.

durchwirbelte Flüssigkeit Luftbläschen mitnehmen Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung

kann, nämlich an der Flüssigkeitsoberfläche. Dabei 35 eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den

bestimmt aber die insgesamt, also auch in der Flüssig- Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

keitsoberfläche ferner liegenden Bereichen durchge- F i g. 1 im Querschnitt ein Flüssigkeitsbecken mit

führte Verwirbelung den Energieaufwand. einem Belüfter sowie das durch diesen Belüfter

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung erzeugte Strömungsbild,

der eingangs genannten Art eine noch innigere Ver- 30 F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der bei dem

mischung von Gas und Flüssigkeit zu erreichen, wobei Belüfter nach F i g. 1 verwendeten Scheibe, die in

der Energieaufwand möglichst gering gehalten werden der Zeichnung teilweise aufgebrochen ist,

soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch F i g. 3 eine Draufsicht auf die in F i g. 2 gezeigte

gelöst, daß in der Scheibe nahe an den der Rotations- Scheibe und

richtung abgewandten Rückseiten der Blätter Gaszu- 35 F ig. 4 ein Schaubild zur Erläuterung der Betriebsführungsöffnungen vorgesehen sind und die Oberseite zustände von nach dem Turbinenprinzip arbeitenden der Scheibe während des Betriebes durch entsprechende Belüftern.

Wahl der Eintauchtiefe und der Drehzahl im wesent- Der in F i g. 1 gezeigte, in Turbinenbauart ausgeliehen flüssigkeitsfrei gehalten ist. führte Belüfter weist eine an einer drehbaren Welle 11

Durch den auf der Rückseite der Blätter entstehen- 40 befestigte Scheibe 10 auf, an deren Unterseite mehrere

den Unterdruck ist es möglich, von der zu diesem Blätter 12 am Umfang gleichmäßig verteilt angebracht

Zweck von Flüssigkeit frei gehaltenen Oberseite der sind, die sich vom Scheibenrand aus einwärts und

Scheibe Gas durch die Zuführungsöffnungen einzu- axial erstrecken.

führen. Dadurch wird weitgehend die gesamte von der Der Belüfter ist in einem Becken 20 von beliebiger, Ij

Vorrichtung bewegte Flüssigkeitsmenge auch mit dem 45 beispielsweise runder oder viereckiger Gestalt ange-

Gas in Berührung gebracht, wodurch das Auflösen ordnet, wobei die Kreisscheibe 10 horizontal liegt und

des Gases in der Flüssigkeit wesentlich gefördert wird, die Welle 11 mit einem Motor 21 mit Reduziergetriebe

ohne daß Energie zur Bewegung von Flüssigkeitsmen- verbunden ist. Getriebe und Motor 21 können auf

gen aufgebracht werden müßte, die wegen ihrer Ent- einem Träger oder einer Brücke 22 angeordnet sein,

fernung zur Flüssigkeitsoberfläche nicht mit dem Gas 50 die von Schwimmern oder vom Beckenboden oder —

in Berührung treten könnten. wie dargestellt — von der Behälterwand getragen wer-

Um die Gaszuführung auch zu tieferen Bereichen ^ den. Der Belüfter ist in bezug auf den Behälter 20 so

der Blätter zu verbessern, können Gaszuführungsrohre ausgelegt, daß die von ihm erzeugte Strömung den

vorgesehen werden, die sich von den Gaszuführungs- ganzen Behälter erfaßt. In größeren Behältern können

Öffnungen in der Scheibe abwärts erstrecken. Zweck- 55 zwei oder mehr Belüfter angeordnet werden. Wenn

mäßigerweise erstrecken sich diese Gaszuführrohre der Behälter sehr tief ist, kann es von Vorteil sein,

durch die Scheibe hindurch nach oben, um das Ansau- zusätzlich zu dem nahe der Oberfläche angeordneten

gen von Gas ohne Beimengungen von Flüssigkeit zu Belüfter einen in den Figuren nicht dargestellten

verbessern. Mischer zu verwenden, der den Belüfter dabei unter-

Eine besonders günstige Durchmischung läßt sich 60 stützt, in dem unteren Bereich des Beckens eine gute

erreichen, wenn der Abstand zweier benachbarter Durchmischung aufrechtzuhalten.

Blätter am Umfang der Scheibe das 0,8- bis 5fache der Bei Stillstand des Belüfters liegt die Sch.eibe 10

Breite der Blätter beträgt. unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L im Behälter 20.

Es wurde gefunden, daß das Ansaugen und Zu- Im Betrieb ist durch die Drehbewegung des Belüfters mischen von Gas besonders wirksam und mit gering- 65 die Oberseite der Platte im wesentlichen frei von Flüssigstem Energieaufwand erfolgt, wenn die Höhe der · keit, und ihr Rand ist der Luft ausgesetzt, wie in Blätter nicht mehr als drei Zehntel der peripheren F i g. 1 dargestellt. Der Belüfter pumpt große Mengen Geschwindigkeitshöhe der Scheibe und die Breite der von Flüssigkeit aus dem unteren Bereich des Beckens

aufwärts und befördert die Flüssigkeit zusammen mit der — wie nachfolgend noch beschrieben wird — beigemischten Luft radial nach außen. Dadurch entsteht am Flüssigkeitsspiegel ein sogenanntes hydraulisches Hochschnellen in der Umgebung des turbinenartigen Belüfters, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Schon durch die bei dem hydraulischen Hochschnellen auftretende Turbulenz wird Luft in die Flüssigkeit eingezogen und zum größten Teil in der Flüssigkeit gelöst und von ihr mitgeführt, wenn sie entlang dem Flüssigkeitsspiegel und schließlich abwärts zum Behälterboden strömt und von dort durch den Belüfter wieder aufwärts gepumpt wird. ' · · :

Um eine noch wesentlich stärkere Durchmischung von Luft und Flüssigkeit ohne zusätzlichen Energieaufwand zu erreichen, wird den Unterdruckräumen auf den Rückseiten der Blätter 12 durch öffnungen 15 in der Scheibe 10 Luft von der Oberseite der Scheibe her zugeführt. Diese in den F i g. 2 und 3 gezeigten öffnungen können die Form von Löchern oder Schlitzen haben. Im allgemeinen genügen diese öffnungen, um das gewünschte Einströmen von Luft zu erreichen. Es können jedoch auch Gaszuführrohre 16 (F i g. 2) verwendet werden, die sich von den Gaszuführungsöffnungen 15 in der Scheibe 10 nach abwärts erstrecken (dargestellt im linken Bereich von F i g. 2). Die Rohre 16 können sich aber auch durch die öffnungen 15 aufwärts erstrecken, so daß ihre oberen Enden über der Platte 10 liegen (dargestellt im rechten Bereich der F i g. 2). Schließlich können sich die Rohre 16 auch von einem Punkt oberhalb der Scheibe 10 bis in den Unterdruckbereich auf der Rückseite der Blätter 12 erstrecken (F i g. 2, Mitte).

Während der Drehbewegung der Scheibe 10 stehen die öffnungen 15 oder gegebenenfalls die oberen Enden der Rohre 16 mit der Luft in Verbindung, so daß die Luft in die Unterdruckbereiche an den Rückseiten der Blätter 12 einströmt. Diese Luft wird von der durch den Belüfter strömenden und in den Bereich des hydraulischen Hochschnellens eintretenden Flüssigkeit mitgerissen, so daß die Gesamtwirkung der Belüftung wesentlich erhöht wird.

Im Gegensatz zu bekannten Belüftern, die mit einem völlig untergetauchten Rotor arbeiten, wird bei dem beschriebenen Belüfter keine Luft in das Zentrum der Kreisplatte 10 gesaugt, sondern die Eintrittsstelle und die Menge der eintretenden Luft ist durch die Lage und Größe der Gaszuführungsöffnungen festgelegt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand P zweier benachbarter Blätter 12 am Umfang der Scheibe 10 (F i g. 3) in einem Bereich zwischen dem 0,8- und 5fachen der Breite w (Fig. 1) der Blätter 12 gewählt. Die Höhe Λ der Blätter 12 ist nach der im Betrieb gewählten Umfangsgeschwindigkeit ν der Scheibe 10 bemessen, und zwar beträgt die Höhe A der Blätter 12 nicht mehr als drei Zehntel der sogenannten peripheren Geschwindigkeitshöhe H_v, die als diejenige Höhe zu verstehen ist, aus der ein Körper im freien Fall die Geschwindigkeit ν erreicht; gemäß den bekannten Gesetzen für den freien Fall gilt daher

Hv ·

2g

Die Breite w der Blätter 12 beträgt nicht mehr als ein Viertel des Durchmessers DderScheibe 10 (F i g. 1). Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Umfangsgeschwindigkeit ν der Scheibe 10 in dem Bereich von 3 bis 6 m/Sek.

Insgesamt sind die Abmessungen der Scheibe 10 und der Blätter 12 sowie die Eintauchtiefe H₃ (F i g. 1) der Scheibe 10 in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit so gewählt, daß der Quotient

Eintauchtiefe (//„) + Blatthöhe (A)

periphere Geschwindigkeitshöhe (H_v)
ίο im Bereich von 0,1 bis 0,6 und der Quotient

Eintauchtiefe (Hs)
periphere Geschwindigkeitshöhe (H_v)

im Bereich von etwa 0,15 bis 0,30 liegt.

Das Zuführen von Luft zu der Blattrückseite verbessert nicht nur den Wirkungsgrad (erzielbarer Durchmischungsgrad je aufgewendeter Energieeinheit)

des Belüfters, sondern erlaubt auch Änderungen seiner Eintauchtiefe innerhalb eines verhältnismäßig weiten Bereiches, ohne die Belüftungsleistung der Anlage wesentlich zu verändern. Die Eintauchtiefe wird jedoch so gewählt, daß die Flüssigkeit, die die Scheibe 10 bei

as ihrem Stillstand bedeckt, nach außen befördert wird und die obere Seite der Scheibe bei Rotation frei von Flüssigkeit ist, so daß die öffnungen 15 der Luft ausgesetzt sind.

Die bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels verwendete Bezeichnung »Belüfter« trifft nur für den Fall zu, daß Luft in einer Flüssigkeit aufgelöst werden soll. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch ebenso auch beim Auflösen anderer Gase in Flüssigkeiten anzuwenden.

Das Schaubild gemäß F i g. 4 zeigt, daß bei einer mit Blättern versehenen, sich drehenden Kreisscheibe zum Auflösen von Gas in einer Flüssigkeit grundsätzlich drei Betriebszustände A, B und C bei verschiedenen Eintauchtiefen und konstanter Drehzahl auftreten. In dem Schaubild ist eine dimensionslose Leistungskennzahl Np über dem Höhenverhältnis

aufgetragen, in dem die Eintauchtiefe H_s als Veränderliche enthalten ist.

Bei großer Eintauchtiefe H₈ tritt nur ein geringes hydraulisches Emporschnellen des Flüssigkeitsspiegels ein. Dabei wird eine bestimmte Menge von Gas in die Flüssigkeit eingebraucht. Der Energiebedarf ist fast konstant und von der Eintauchtiefe in einem größeren Bereich unabhängig (Bereich A).

Wenn die Eintauchtiefe H₈ verringert wird, nimmt der Energiebedarf mit der Eintauchtiefe ab, wobei jedoch die Gasbeimischung beträchtlich verbessert wird (Bereich B).

Wenn sich die Eintauchtiefe H_s dem Wert Null nähert, tritt an die Stelle des Emporschnellens eine Art Zerstäubung der Flüssigkeit. Der Gasübergang an die Flüssigkeit nimmt ab, während der Energiebedarf nur wenig abnimmt (Bereich C).

Die größte Gasmenge wird im Betriebsbereich B zwischen den Punkten α und b übertragen und die Menge des übertragenen Gases nimmt zu, je näher man dem Punkt b kommt. Da zugleich bei einer Annäherung an den Betriebspunkt b der Energiebedarf abnimmt, ergibt sich der beste Wirkungsgrad,

JI ti 20

5 6

ausgedrückt in stündlich übertragener Gasmenge je _{wenn das} Verhältnis ~^L Jn dem Bereich von etwa

Leistungseinheit, wenn man sich dem Punkt σ nähert. ",

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in dem 0,15 bis 0,30 liegt und das Verhältnis
günstigen Bereich des Kurvenabschnitts B betrieben.

Die Verminderung des Energieverbrauchs mit der 5 H -l· h ""!

Verringerung der Eintauchtiefe und der Zunahme der .'...——

Gasübertragung im Bereich B beruhtauf dem Ansaugen H_v *

von Gas an der Blattrückseite. Das Gas kann -J

teilweise entlang den äußeren Kanten der Blätter in _{etwa im ßereich yon QlQ feis Q6Q y WJrd} H, y

diese Bereiche einströmen; die Wirkung wird jedoch io H, \

noch verbessert, wenn das Gas durch gesonderte größer als etwa 0,30, dann arbeitet die turbinenartige _b

Zuführöffnungen und gegebenenfalls Rohre zu der Vorrichtung unregelmäßig, weil die Kreisscheibe nicht ^

Blattrückseite geleitet wird. ständig frei von Flüssigkeit ist. Demgemäß ist die ₎₍

Die auf die Flüssigkeit übertragene Leistung P₁₄, Gasübertragung verhältnismäßig gering, weil kein

läßt sich nach der Gleichung berechnen: . 15 Gas von den Blättern eingezogen wird. Wird

-Np = M — m -— — . kleiner als etwa 0,10, dann tritt an die Stelle des

Λ hydraulischen Hochschnellens der Flüssigkeit eine

Zerstäubung. Wenn die Zerstäubung beginnt, wird

Darin ist der Bereich optimaler Betriebsbedingungen verlassen;

N = Drehzahl der Kreisscheibe, 25 die Menge des übertragenen Gases je Energieeinheit

D = Durchmesser der Kreisscheibe, wird verhältnismäßig gering.

Np = dimensionslose Größe, die von den physika- Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die

lischen Kennzahlen und den Arbeitsbedingun- Querschnittsfläche der Gaszuführungsöffnungen 15 im gen der Vorrichtung abhängt, Bereich von 8 bis 10 °/₀ der Oberfläche des Blattes 12

M = theoretischer Wert von N_p für eine vorge- 30 gewählt, um günstige Betriebsbedingungen zu erreigebene Scheibe und deren Arbeitsgeschwindig- chen. Wenn die Querschnittsfläche weniger als etwa keit, wenn . 8 % der Blattfläche gewählt wird, wird die Wirksamkeit

der Vorrichtung dahingehend beeinträchtigt, daß kein

H_v—_He_ _ Q lineares Verhältnis in dem Betriebsbereich B zwischen

h ' 35 den Punkten α und b besteht.

Durch die Gaszuführungsöffnungen wird außerdem

Dabei hängt die Größe von M ab vom Durch- erreicht, daß insbesondere bei hoher Eintauchtiefe das messer der Scheibe, von der Zahl und den Drehmoment der Scheibe nur wenig veränderlich ist, Abmessungen der Blätter und der Froude- so daß der Betrieb der Vorrichtung sehr stabil wird. Kennzahl Nf, . 40 Zugleich wird die Abhängigkeit des Energiebedarfs

von der Eintauchtiefe vermindert. Der Wirkungsgrad,

m = dimensionsloser empirischer Koeffizient, der dargestellt durch die je aufgebrachter Leistungseinheit vom Durchmesser der Scheibe und der Zahl übertragene, auf eine Zeiteinheit bezogene Gasmenge der Blätter abhängt, wird erhöht. Der beste Wirkungsgrad wird bei kleine-

45 rem Verhältnis
H₁ — periphere Geschwindigkeitshöhe:

Hs+ h

„_r . _Hv

²S 5o

erreicht. Der Einfluß der Gaszuführungsöffnungen

Die Geschwindigkeitshöhe hat die Dimension einer hängt von der Zahl der Blätter 12 ab; er nimmt mit

Länge und ist diejenige Höhe, die ein Körper im der Zahl der Blätter 12 zu.

freien Fall zurücklegen muß, um die vorgegebene In der nachfolgenden Tabelle sind zur näheren

Geschwindigkeit zu erreichen. 55 Erläuterung der Betriebsweise der erfindungsgemäßen

H₃ = Eintauchtiefe der Scheibe, Vorrichtung die Betriebsdaten für drei verschiedene,

h = Höhe der Blätter. als »Turbinen« bezeichnete Kreisscheiben mit Blättern

aufgeführt. Sie lassen den Wirkungsgrad bei der Über-

Die Froude-Kennzahl berechnet sich: tragung von Sauerstoff in kg pro PS und Stunde im

60 Betriebsbereich B im Vergleich zu den Betriebsbe-

fl2. £) reichen A und C erkennen. Die Tabelle zeigt außerdem,

Nj= ; daß die Verhältnisse H,:H_V und (H_s + h):H_v

S bedeutsam sind; es ergibt sich auch deutlich, daß eine

g = Gravitätskonstante (9,81 m/Sek.²). Blatthöhe, die größer ist als 0,3//_r, von Nachteil ist.

65 Bei der nachfolgenden Tabelle erfolgen alle Längenangaben in Meter. Ebenso können auch bei allen

Der Bereich B des günstigsten Verhältnisses zwischen Gleichungen in der vorangegangenen Beschreibung alle

Energiebedarf und Gasübertragung wird erreicht, Längenangaben in Meter eingesetzt werden.

	A	Hs	7	Hr	HJH,	H1+ h H„	PS	Sauerstoffübertragung	(kg/PS · h)	8	Bemerkungen
Turbinen	(m)	(m)		(m)				(kg/h)	0,36
durchmesser D	0,025	0,28	0,77	0,36	0,40	1,58	0,61	1,05	Betriebsbereich A
(m)	0,025	0,14	0,68	0,20	0,24	0,68	0,71	0,63	Betriebsbereich B
0,38	0,025	0,14	1,70	0,08	0,10	1,91	1,25	2,10	Betriebsbereich C
0,38	0,10	0,11	0,53	0,20	0,39	1,6	3,3		Noch im kritischen Bereich
0,38								3,0	(Bereich B)
0,61	0,10	0,12	0,98	0,15	0,26	2,1	6,3	1,7	Sicher im Bereich B
	0,10	0,10	1,35	0,08	0,15	3,1	5,2	0,9	Betriebsbereich C
0,61	0,46	0,10	0,53	0,19	1,06	2,25	1,9	1,5	Noch im Betriebsbereich B
0,61	0,46	0,006	0,99	0,01	0,47	4,3	6,6		Sicher im Bereich B, dadurch
0,61									Verbesserung der Sauer
0,61								stoffübertragung

Claims (7)

Patentansprüche: ao

1. Vorrichtung zum Auflösen eines über einer Flüssigkeit stehenden Gases in dieser Flüssigkeit, mit einer um eine lotrechte Achse umlaufenden horizontalen Kreisscheibe, die am Umfang meh- as rere gleichmäßig verteilt angebrachte, sich vom Scheibenrand aus einwärts und axial erstreckende Blätter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Scheibe (10) nahe an den der Rotationsrichtung abgewandten Rückseiten der Blätter (12) Gaszuführungsöffnungen (15) vorgesehen sind und die Oberseite der Scheibe während des Betriebes durch entsprechende Wahl der Eintauchtiefe (H_s) und der Drehzahl im wesentlichen flüssigkeitsfrei gehalten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gaszuführrohre (16), die sich von den Gaszuführungsöffnungen (15) in der Scheibe (10) abwärts erstrecken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gaszuführrohre (16) durch die Scheibe (10) hindurch nach oben erstrekken.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (P) zweier benachbarter Blätter (12) am Umfang der Scheibe (10) das 0,8- bis 5fache der Breite (h·) der Blätter (12) beträgt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (A) der Blätter (12) nicht mehr als drei Zehntel der peripheren Geschwindigkeitshöhe (//» = -£-) der Scheibe

(10) und die Breite (w) der Blätter (12) nicht mehr als ein Viertel des Durchmessers (D) der Scheibe (10) beträgt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit (v) der Scheibe (10) während des Betriebes 3 bis 6 m/Sek. beträgt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient

Eintauchtiefe (H,) + Blatthöhe (A)
periphere Geschwindigkeitshöhe (H_v)
im Bereich von 0,1 bis 0,6 und der Quotient

Eintauchtiefe (H₈)

periphere Geschwindigkeitshöhe (H_v)
im Bereich von etwa 0,15 bis 0,30 liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

TflQ Al R/43