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Flüssigkeitzaerator Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsaeratoren und
insbesondere Aeratoren, die in der Lage eindv in einem Teich, einen Xühltank oder
dergleichen zu schwimmen. Schwimmende Aeratoren werden Ublicherweise benutzt, um
ein Stehen des Wassers zu vermeiden, um den Sauerstoffgehalt von Teichwasser anzureichern,
um Abfälle Im Wasser zu oxydieren und zu reinigen oder um das Wasser zur neuen Einleitung
in einen Kreislauf zu kühlen. Um Solche Ergebnisse zu erreichen, wird das Wasser
aus dem Teich nach oben gepumpt und nach-außen abgelenkt, so daß es mIt der Luft
in' Kontakt-kommt, bevor es in den Teich oder In den Tank zurückfällt. Bei einem
a(hwimmenden.Aerator trägt ein Schwimmerkörper das (ewicht eines Motors und einer
Pumpe auf der Oberl.#L'läche eines Wasserkörpers, aus dem Wasser nach oben g(pumpt
wird und nach außen zurück In die Wassermenge umgeleltet wird.
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Eine allgem(ine'Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen schwiLmenden
Aerator zu schaffen, der einfach und billig im Aufbau ist und Im Vergleich zu vorbekannten
Aeritoren dieser Art erheblich wirkung&voller
beim Pumpen des
Wassers und beim Übertragen von Sauerstoff an das Wasser ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine erhöhte Wirksamkeit
beim Übergang von Gas zu dem Wasser und aus dem Wasser und beim Reinigen
des Wassers von Abfällen durch einen einfachen und billigen drehbaren Diffusor zu
erreichen, der das Wasser von dem schwimmenden Aerator nach außen ablenkt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine nach unten
ragende-TurbIne in einem schwimmenden Aerator so hydrodynamisch auszubalancieren,
daß die Turbine voneinem nicht eintauchbaren Motor gedreht -werden kann und nicht
durch abgedichtete Lager in der Bahn -des Wasserstromes gehalten zu werden braucht..
Eine speziellere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die-Turbine zum Pumpen von
Flüssigkeiten aufwärts durch einen schwimmenden Aerator dadurch hydrotl-7.-misch
auszubalancieren, daß jede ihrer Turbi-Oei,#s feln so gestaltet wird, daß
ein konstanter strom längs der Oberfläche der Schaufel sich er-g.Lbt. Eine weitere
Aufgabe der-Erfindung ist es, eine exhöhte Wirksamkeit des Wasserstromes durch einen
Aerator mittels einer billigen Turbine zu ermöglichen, die so gestaltet ist, daß
die Größe des axialen Schu-bes vermindert wird, welcher die Schaufeln beim 11umpen
von Wasser axial aufwärts nach unten zu drücken sucht.
Eine weitere
Aufgabe der Erfindung ist es, Dichtungen an drehbaren Wellen bei einer Motorantrieboxe-Ile
in einem Aerator zu vermeiden und eine Luftdruckdifferenz zu schaffen, die eine
Luftdichtung bildet, welches das Wasser am Aufstellren längs der Wolle zu dem Motor
hindert-.
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Die Erfindung besteht auch in einer Konstruktion eines Aerators, bei
welchem ein drehbarer Diffugor an einer Turbinenwelle befestigt iatt so daa er das
Wasser nach außen ablenkt und wegschleudertt und bei welchem die Turbine hydr.odynamisch
ausbalen8iert ist*, so daß sie
mit der Motorwelle gekuppelt'worden kanne ohne
daß Lager er.-orderlich sind, die die Turbinenwelle gegen Schlager haltern.
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Ein Merkmal der Erfindung'ist eine Turbine, die dünne Schatifeln besitzt,
welche 99 gestaltet sind, daß auf allen Punkten über die Schaufel hinweg ein konstanter
Voliimen.,-zt;rom erzeugt wird, und die einen engen Querschnitt hat, um den Schub
In axialer Richtung zu vermii,idei.m, der durch eine Dtmokdifferenz infolge der
Bewegung des Wässere Über die oberen und unteren Oberflächen der Schaufeln bei verschiedenen
Geschvin-digkeiten verursacht wird.
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Zwei Ausführungebeispiele der Erfindung eind in den Abbildungen dargestellt
und nachstehend beschrieben.
Figur 1 ist ein Querschtlit#
eines schwimmenden Aerators, bei welchem die Erfindung verwirklicht ist.
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Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines drehbaren Diffusars.
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Figur 3 ist eine Unteransicht und zeigt die drehb-are Turbine.
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Figur 4 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Seitenansieht einer Turbine
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ficur 5 ist eine-perspektivische Ansicht eines Rohteils, welches
in eine.Turbinenschaufel eingedreht wird.
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Figur 6l 7 und 8 sind Schnitte längs der Linien
6-6, 7-7 und 8-8 von Figur 4 und zeigen den Querschnitteiner Turbinenschaufel,
und ihren Anstellwinkel.-Figur 9 zeigt ei nen K.Uhltank mit vier Aeratoren,
die nach dem Ausführungsbeispiel von Figur lo aufgebaut sind.
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Figur lo ist ein Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung, welches besonders nützlIell zum Kühlen 1,pon Wasser ist.
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-Die Erfindung, wie sie in den Zeichnungen dargestellt istg ist bei
einem Aerator lo verwirklicht, der aufeinem F-lÜssigkeitakörper wie Wasser in einem
Kühltank, einem Teich oder einem Abwasserbehandlungebecken schwimmt. Der Aerator
wird auf der Oberfläche des
Wassers von einem-Schwimmer 12 gehalten,
welcher eine abgedichtete äußere Schale 13 aufweist, deren Inneres mit rolyurethanschaum
14 über einen durch einen Deckel 16 abgeschlossenen Durchbruch gefüht ist.
Uti den Schwimmer-an einer vorgegebenen Stelle.zu verankern, können (nicht dargestellte)
Kabel an Haken 17 ange.--bracht werden, die an der Schale befestigt sind
und rings um deren Umfang im Abstand voneinander angeordnet sind.
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Wasser wird von dem Wasserkörper aufwärts zur Wechselwirkung mit Luft
durch eine Turbine 2o gepumpt, die an einey vertikalen Welle 21 befestigt ist, Welche
in einen zentralen Durchgang 22 in dem Schwimmer ragt. DJ.e Tt%#--.inenwelle 21
ist an ihrem oberen Ende mit -
(einem Motor 24 verbunden und durch diesen
drehbar, der auf einer Motorhalterung 25 an der Schale 13 gehaltert
ist. Der Wasserdurbhgang 22 durch den Schwimmer wird von einer zylindrischen
Hülse 27 begrenzt, die zentral in dem Schwimmer angeordnet und mit der Schale
13 verschweißt ist, um die Schale wasserdicht zu halten. Nach unten von der
Hillse ragt-#ine hohle Ummantelung 28 uit einem vergrößerten unteren Ende, durch
we-lehes das Wasser von der Turbine aus dem Teich angesogen wird.
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Das Wasser wird durch den Durchgang 22 nach oben ge-
pumpt und#bewegt
sich horizontal unterhalb einer feststehenden Deckplatte 3o der Motorhalteru-hig
25 und über die Oberseite des Schwimmers 12. Die Deckplatte
ist
an den oberen Enden von gegeneinander wirikelversetzten Armen 31, die sich
von der Platte 3o nach -unten zu eihem rirgförmigen Halterungsflansch
32 er-, strecken. Der letztere Ist durch Schrauben 33, die in eine-Platte
auf der Schale 13 eingeschraubt sind, mit der Schale verschraubt.
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Gemäß der vorliegende n Erfindung wird eine erhöhte Wirksamkeit des
Pumpens und eine erhöhte Sauerstoffaufnahme mit einer billigen Konstruktion._eines
schwimmenden Aerators erreicht. Die erhöhte Sauerstoffau-fnahme wird -bei der vorliegenden
Erf indung durch höhung der Wasserturbulenz in der Luft mi*IIte).s eines drehbarer
Diffusors 35 erreicht, welcher an cler We,)1-1.e 21 befestigt ist und welcher
auf das Wasser 4,r,-'L V das vertikal aus dem Durchgang 22-aufsteigt und Waszar
horizontal über die--Oberseite des Schwimmers ablenkt. Ebenfalls -gemäß der Erfindung
ist der MoL-or 24 oberhalb des drehbarer Diffusors In einer scichen Weise
gehaltert, daß die Notwendigkeit eines baren Motors vermieden w-'x-d, und die.Turbine
Isi; i.n dem Durchgang hydrodynam.-%,.sch ausbalancierb, so daß die Notwendigkelt
abgedichteter Lager für die Turbi--nenwelle vermieden wird. Bei der Durcihführung
dieser hydrodynamischen Ausbalancierung ist die Turbine symmetrisch um die Achse
der Welle ausgebildet, und jede der Turbinenschaufeln 36 ist so profiliert,
daß sie einen konstanten Volumenstrom -Fron Wasser ülc>#ar die Länge der Schaufeln
ergibt. Eine erhöhte Pumljwi-_rksamkeit wird erreiuht durch eine neuartige" ciiiiint#,
-felkonstruktion#i
welche den Schub vermindert, der auf eine Druckälfferenz zurUckzufÜhren.ist, welche
durch Wasserteilchen verursacht wird, die,eerelicho-Geschwindigkeitsunterschiede
bei ihrer Strömung um die Turbinenschaufel besitzen. Weiterhin-h#ngt der drehbare
Diffusor mit der Deckplatte 3o zusammen, als weiterer Aspekt der Erfindung, derarle
daß eine Luftdichtung erzeugt wird, welche eine Bewegung des Wassers eufwärts längs
der Welle zu dem nicht eintauchbaren Motor 24 verhindert.
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Da der drehbaie DifTusor 35 mit der Turhinenwelle 21 umläuft,
trifft er die Wasserteiliben und schleudert sie nach außen, was eine mclekulare
eurbulenz verursacht, so daß schädliche Gase in dem Wasser freigegeben und durch
Sauerstoff aus der bluft ersetzt werden Das Aufschlagen des Diffusors
35 auf'die Wasserteilehen känn als eine Scherwirkung betrachtet werden, bei
welcher der-umlaufende Diflusor durch das- vertikal aufsteigende Wasser schneideti
um dieses abzuscheren und mclekulare.Turbulent und Beweeung zu erzeugen, die die
Geschwindigkeit des GasÜberganges erhöht. Auch alleGesten Abfallteilchen, die auf
den drehbaren Diffusor treffen, werden einer Reinigungswirkung von erhöhter Stärke
unterworfehl.verglichen mit-dem Auftreffen auf einen feststehäNen Diffusor, Vorzugsweise
hat der Diffusor 35 eine kegelatumpfförmige Oberfläche %. welche sich nach
äben und außen unter ungefähr 45 Grad zur Vertikalen erweitert, um-das Wasser nach
außen und im wesentlichen
horizontal durch den Beum zwischen den
Armen 31-abzulenkeh. Der drehbare Diffunor 35 ist durch Madenschreuben 42
an der Turbigenwelle mit dieser drehbar verbunden. Die Madenschrauben 42 sind soGingeschraubt,-daß
sie in eine BohrÜng 43 (Figur 2) des Diffusors 35 ragen und an dem oberen
Ende 44 der Turbinenwelle angreifen. Diesen obere Ende der Turbinenwelle-hat einen
größeren Durchmesser als das
untere Binde und weist genügend Material für
einen inneren nach oben öffnehden Bock auf, in welchen das untere Ende einer Motorwelle
45 aufgenommen wird. Wignete (nicht dargestellte) Madenschrauben sind durch die
Turbinenwelle geschraubt und greifen an der Motorwelle an, so daß die Wellen koaxial
befestigt sind und Asammen von dem Motor angetrieben verdefi können. Die Motorwelle
ramt durch eine Öffnung 46 In der Deckplatte 3o nach oben zu dem Motor 24, welcher
mit seiner Basis 47 an der Deckplette jo befestigt la.t.
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Um zu verhinderng daß Wasser aufwärts durch die öff-. nung
46 und längs der Motorwelle 45 zu den Motor 24 gelangtp wird die Anordnung vorzugsweise
io getrof-£eng daß det dpehbare Difflusor 35 mit seiner oberen Pläche 48
drehbar neben der Deckplatte angeordnet Ist, eo daß er eine Druckdifferent erzeugt,
welche Luft nenh Aßen zwischen dieier oberen Fläche 48 und dor Dückplatte 3o heraustreibt!
Um den Luftetrom oue Abdichten der Öffnung45 gegen Wasserstrom zu erhöhen, ist die
obere.Pläche 48 mit einer
Mehrzahl-von nach oben ragenden rechteckigen
Flügeln 49 verseheng die im Abstand voneinander angeordnet sind und sich von-der
Bohrung 43 radial und über-die Fläche 48.erstrecken. mie Lüftdichtung ist von erheblicher
Bedeutung, da sie die.Kosten einer üblichen Dichtung für drehende Wellen vermeidet,
welche außerdem dem Angriff von abreibenden Teilchen, Säuren oder anderen von dem-Wasser
mitgeführten Materialien ausgesetzt £ein würde. Ein weiterer Vorteil, der mit dem
drehbar##'n Diffuser erhalten wird" ist der, daß das Wasser nach außen geschleude
rt wird und nicht um den Rand der feststehenden Platte 3o herumlaufen kann und nicht
dadurch wie bei bekannten Konstruk-.tionen zu dem Motor gelangen kann.
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.Ein wichtiger Aspekt'der Erfindung besteht darin, kostspielige abgedichtete
Lager für die Turbinenwel`P le zu vermeiden, und das wird beider vorliegenden Erfindung
durch eine Turbine 2o erreicht, welche statisch, dynamisch und hydrodynamisch äusbalanciert
ist* Die Turbine ist in der Praxis so ausbalanciert, daß die Enden jeder der viQr
Schaufeln in einem
Ab-
stand von weniger als einem MilLimeter von der Hülse
27 liegen, die den Wasserdurchgang 22 bildet, ohne daß die Welle schlägt
und die Schaufeln an der Hülse zur Anlage kommen. AucliAtabilisiert die hydrodynamisehe
Ausbalancierung der, Turbine den gesamten Schwimraer gegen Schaukeln im Wasser$
da die Turbine eine Kreiselwirkung ausübt, und außerdem verringert die hydrodynamische
Ausbalancierung die Stärke der Schwingungen,
die dem Motor 24 erteilt
werden. Die Turbine ist hydrodynamisch ausbalanciert nicht nur dadurch, daß sie
übereinstimmend geformte Schaufeln in gleichen Winkelabständen um die Achse 2o a
der Turbine aufweist, sondern auch dadurch,- daß die Schaufel
so gestaltet
ist, daß von dem Inneren Ende
52 der Schaufel das gleiche Wasservolumen bewegtwird
wie durch den mittleren Teil
53 der Schaufel und wie durch das äußere Ende
5o der Schaufel. Im. vorliegenden-Falle sind die vier übereinstimmend geformten
Schaufeln
35 jede an einer Nabe
51 unter go Grad voneinander befestigt.
Da das äußere Ende der Schaufel mit hbherer Geschwindigkeit umläuft als'das innere
Ende der Schaufel und da
die bevorzugte AusfÜhrungsform der Schaufel die
gleiche Breite besitzt, sind die Schaufeln-so verdreht, daß der Anstellwinkel zum
Wasser linear von dem Inneren En-. de der Schaufel zum äußeren Ende der Schaufel
abnimmt. In einem Beispiel ist das innere Ende der Schaufel an der Nabe unter einem
Winkel
A (Figur 4) von
51 Grad befestigt und das äußere Ende steht
unter einem Winkel B von So Grad gegenüber der Vertikalen bei einer Schneidenlänge
von ungefähr
8 112 cm.
Wie in Figur
6, 7 und
8 dargestellt Ist, hat der mittlere Teil
53 der Schneide eine sich
ändernden Anstellwinkel, Winkel
C in Figur 7, der ziwischen den Winkeln
A und B liegt. Spezieller gesagt, ändert sich der Anstellwinkel über dem
mittleren Schaufelteil fortschreitend und linear von dem.Anstellwinkel
A zum Anstellwinkel-B-.
in den Figuren
6, 7 und
8 dargestellt ist, ergibt
die Turbinenschaufel dennoch den gleichen dünnen Querschnitt über ihre gesamte Länge,.
welcher sich gegenüber dem Querschnitt, der aus dem flachen Schaufelrohteil
36 a erhältlich ist, nicht ändert. Somit können flache dünneTurbinenschaufeln
36 wirtschaftlich mit einem konstant sich ändernden Anstell-Winkel CI geformt
werden, um den gleichförmigen Volumenstrom und eine hydraulische Ausbalancierung
zu erheben. Um eine genaue Auswuchtung der Turbine zu erzielen, wird Metall von
der Nabe entfernt. Die-Menge des entfernten Metalls ist gering wegen der bei der
Herstellung erzielten Auswuchtung.
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Die Länge des Wasserweges in der Luft von dem Diffusor 35 ist
wichtig, wenn der A'erator für Kühltür'me oder dergleichen benutzt wird, bei welchen
der Wärmeübergang von dem Wasser in die Luft von hauptsächlicher Wichtigkeit ist.
Durch Erhöhen der Länge des Wasserweges durch die Luft, wird mehr Kontakt mit der
Luft erreicht und gewöhnlich auch Kontakt über eine längere Zeitsranne. Dadurch
wird.ein erhöhter Wärmeübergang von den Wasserteilchen zurLuft ermöglicht. Bei demIn
Figur 9 und lo dargestellten Ausführungsbeispiel, sind Aeratoren
10 a dargestellt, die bei Kühltürmen verwendet werden und den gleichen Grundaufbau
wie der Aerator lo (Figur 1) besitzen. Es sind lediglich geringfügige Änderungen
vorgesehen, die nun beschrieben werden. Den Bezugszeichen ist in Figur lo ein Zusatz
11a11.hinzugefügt für Ober'
einstimmende oder ähnliche Elemente,
wie die Elemente# die vorstehend beschrieben wurden. Der drehbare Diffusor
35 a hat eine konische Oberfläche 4o al welche größer ist als die konische
Oberfläche 4o des Diffusors 35 und welche so gestaltet istl daß sie Wasserteilchen
weiter nach oben schleudert als der -drehbare Diffusor 35 von Figur
1. Von einer nach oben ragenden ringförmigen Prallplatte '7o wird ein feststehendes
Umlenkglied (Figur lo) gebildet, welches hilft, die Wasserteilchen längs der in
Figur lo dargesteilten Bahn zu lenken.
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Wenn große Mengen von Wasser auf eindb relativ begrenzten'Raum gekühlt
werden müssen, wie in einem Kühltank oder Turm
69 (Figur
9)9 können
in einem Wasserkörper in dem Kühlturm eine Mehrzahl von im Abstand voneinander angeordneten
Aeratoren lo a schwimmend gehalten werden. Jeder Aerator lo ist an der Oberseite
offen und gestattet den Eintritt von Luft in ein Gehäuse
71 zum Kühlen der
Wasserteilchen, die von den Diffusoren 2_5 a und
35 a gegen die vertikalen
Seitenwände 72 des Gehäuses geschleudert werden.
Die Wasserteilchen strömen
an den Gehäusewänden herab und treten aus dem Gehäuse bei einer Öffnung 74 zwischen
dem Schwimmer 12 und dem Gehäuse
71 aus. Das letztere besteht aus einem vertikalen
Blechzylinder, der nach oben und nach außen Im.Ab-# stand-von dem Schwimmer gehalten
wird durch Winkel 75, die an den Schwimmer und an das Gehäuse angeschweißt sind.
Wenn Raum verfügbar ist, kann der
Auäh sind die Kan
- ten der Schaufeln angeschrägt, um #urbulenz-zu
vermindern. Die erhöhte Pumpwirkun'g gesta#tet'die Verwendung von kleineren Motoren
und gegebenenfalls die Erzielung von Wassergeschwindigkeiten, die notwendig sind*
um die Suspension von .Teilchen im Wasser zur Reinigung von diesen Teilähen aufrechzuerhalten.
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Das auf den Diffusor, 35-auftreffende Wasser erzeugt eine Hubkraft
auf die Turbinenwelle 21, welche dem nach unten wirkenden Schub entgegenwirkt, der
den Lagernin dem Motor erteilt wird, welche die Turbinenwelle und die Turbine drehbar
aufnehmen. Diese Hubkraft dee Wassers auf den Diffusor 35 hat sich als
sehr wesentlich.zurVerminderung der Schubbelastung der Motorlager erwiesen.,
was weiterhin die Wartungsprobleme vermindert,-und die Lebensdauer der Motorlager
erhöht.
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Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß die hydrodynamisch ausbalancierte
Turbine!-eine billige Konstruktion ergibt und ein wirksameres Pumpen einer Flüssigkeit.
Auch erhöht der drehbare Diffusor die Wirksamkeit der Vorgänge..wie Sauerstoffübergang,
Kühl-en und Reinigen.,