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Zentralsymmetrisches Belüftungsbecken mit vertikalachsigem Oberflächenbelüfter.
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Die Erfindung betrifft ein zentralsymmentrisches Belüftungsbecken
mit einem vertikalachsigen Oberflächenbelüfter, dessen Achse insbesondere ortsunbeweglich
ist. Derartige Belüflungsbecken werden insbesondere zum Eintragen von Luftsauerstoff
in Abwasser verwendet. Unter einem zentralsymmetrischen Belüftungsbecken soll hierbei
ein Becken verstanden sein, das einen kreisrunden
oder regelmäßig
polygonalen Grundriß, z.B. einen quadratisohen Grundriß aufweist.
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Beim Betrieb von Oberflöchenbelüftern in Beluftungsbeoken mit vorwiegend
quadratischem oder kreisrundem Grundriß treten durch Reflexion der vom Zentrum ausgehenden
Wellenfronten an den Beckenwänden häufig Sohwingungsersoheinungen des Wassersplegels
auf, die zu erheblichen Störungen des Betriebes führen kbnnen. Die hierdurch bedingten
starken Schwankungen der Eintauchtiefe des Belüftens können zu Schwankungen in der
momentanen Leistungsaufnahme des Beltlftermotors und damit zu Uberbelastungen des
im allgemeinen auf eine mittlere Leistungsaufnahme aus gelegten Motors führen. Besonders
gefährlich wirkt diese Erscheinung dann, wenn zwischen der Laufzeit der Wellen vom
Belüfter zur Beckenwand und zurück und der Umlaufzeit des Belüfters ein ganzzahliges
Verhältnis besteht. Diese, Resonanz kann zu einem sehr starken Aufachaukeln der
unerwünschten Wellenentwicklung führen.
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Ein weiterer, bei Oberflächenbelüft6ern in zentralsymmetrisohen Belüftungsbeoken
boobachteter Xaoht6'i besteht darin, daß mit der Zeit der gesamte
Beckeninhalt
an der vom BelUfter erzeugten Retationsströmung teilnimmt und daher auch das vom
Belüfter angesaugte Wasser eine mit dem Belüfterumlauf gleichgorichtete Rotationsbewegung
ausführt.
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Hierdurch wird die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Belüfterrad
und dem angesaugten Wasser und damit der Wirkungsgrad des Belüfters herabgesetzt.
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Es wurde nun gefunden, daß die genannten Nachteile in sehr einfacher
Weise dadurch vermieden werden können, daß der Oberflächenbelüfter in an sioh benannter
Weise im Becken außermittig angeordnet wird, wobei der Abstand zwischen der Belüfterachse
und dem Zentrum des Beckens zwischen 1/6 und 1/25 des größten Beckendurohmessers
beträgt.
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Es ist zwar bereits bekannt, Oberflächenbelüfter, die um ortabewegliche
Achsen umlaufen, in einem Rundbecken außermittig anzuordnen, so daß die Be teer
eine planetenartige Umlaufbahn beschreiben. Bei derartigen Anordnungen treten die
oben genannten Probleme der Wellenresonanz und des Eintrittsdralles gar nicht auf,
da der Belüfter wegen seiner dauernden Ortsvoränderung tn Jedem Zoitpurflct anders
Wellenverhältnisse und andere
Drallverhältnisse vorfindet als im
vorhergehenden Zeitpunkt. Die exzentrische anordnung des Belüfters dient in diesen
Fällen nur dazu, eine Umlaufbewegung des Belüfters zu ermöglichen, hat aber als
solche keinen Einfluß auf die Belürtungsvorgänge im Becken.
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überdies liegt die Exzentrizität bel den bekannten Anordnungen bei
ca. 2/3 des Beokenradius und dalier weit außerhalb des erfindungsgemdß'en Bereichs.
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Bei einem im 3otrieb nicht ortsbeweglichen Belilfter dagegen ist
es allein die erfindungsgemäße außermittige Anordnung, die dafür sorgt, daß die
am gesamten Beckenumfang reflektierten Wellen nicht gleichzeitig bzw. mit gleicher
Phase am Ort des Beltlfters wieder zusammentreffen, so daß die Gefahr des Aufsehaukeins
vermieden wird. Auch die Dämpfung der durch den Belüfter am Becken erzeugten Rotationsströmung
sowie die Durchmischung der belüfteten mit den unbelüfteten Wassermassen ist bei
außermittiger BelUfteranordnung besser. Diese Vorteile zeigen sich allerdings nur
innerhalb des genannten Bereichs der Exzentrizität. Bei kleinerer Exzentrizität
ist eine meßbare Auswirkung auf die Okonomie des Belüftungsvorganges nicht festzustellen,
während
bei einer zu großen Exzentrizität die Bodenströmung im Becken so ungUnstig beeinflußt
wird, daß sich insbesondere in den abliegenden Ecken Toträume bilden und die Sohlammablagerungen
einstellen. Es zeigt sich, daß ein Exzentrizittswert von 1/6 des Beckendurohmessers
etwa als die Grenze angesehen werden kann, bei der diese ungünstigen Auswirkungen
die durch die Exzentrizitt erzielten Vorteile überwiegen und insgesamt eine Verschlechtorung
der Wirt.
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sohaftlichkeit und Wirksamkeit der Belüftung mit sioh bringen.
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Zur weiteren Verbesserung, insbesondere der Dämpfung der Rotationsströmung
und der Durchmischung des Wassers ist gemäß eher bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung vorgesehen, daß unmittelbar unter dem Bellifter Leitflächen vorgesehen
sind, die zur BelUfterachse mindestens annähernd parallel sind. Hierdurch wird die
Rotationskomponente der vom Beltifter angesaugten Aufstiegsströmung gebremst und
die Strömung gerade ßeriohtet. Es kann sogar vorteilhaft sein, die Leitfläohon derart
gekrümmt auszubilden und/oder
schräg anzuordnen, daß sie der Aufstiegsströmung
eine der Umlaufrichtung des Belüfterrades entgegengerichtete Rotation verleihen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeiohnungen beispielsweise
dargestellt.
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Pig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Beluftungsbeeten mit einem Belüftungskreisel.
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Fig. a zeigt eine Seitenansicht des Beluftungskreisels mit Leitflächen.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III von Fig. 2.
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Gemäß Fig. 1 ist ein kreisrundes Belüftungsbecken 1 vorgesehen, daß
von einer BrUcke 2 überspannt wird, an welcher ein Belüftungskreisel 3 Übhoher Bauart
gelagert ist. Der Belüftungskreisel taucht mit einem Schaufelrad in die Wasseroberfläche
ein und erzeugt t bei der Rotation des Isreisels Saugwirbel, durch welche Luft in
das Wasser hineingorissen und anschließend fein zerperlt wird.
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Zwischen der Achse 4 des Belüftungskreisels und dem Mittelpunkt 5
des Beckens besteht ein Abstand d, der bei der gezeigten Ausführungsform etwa 1/8
des Beckendurchmessers beträgt. Es kann zweckmäßig sein, den Belüftungakreisel 3
an der Brücke 2 verschiebbar zu lagern, um den Abstand d verändern zu können Beim
Betriob des Kreisels lösen sich kreisförmige, sur Achse 4 konzentrisohe Wellenfronton
ab, die sich mit der Wellengeschwindigkeit a @usbroiten. Würde
Belüfterachse
4 im Mittelpunkt 5 des Beokens angeordnet sein, so Würden die Wellen am gesamten
Umfang der um den Abstand R entfernten Beckenwand zum selben Zeitpunkt T n /c reflcktiert
worden und nach der Gesamtlaufzeit T n 2 R/c trieder im Zentrum eintreffen. Hierdurch
können sehr starke Sohwankungen des Wasserspiegels, dor Eintauchtiefe des Belttfters
und damit der Leistungsaufnahme des Belüfters auftreten. Ganz besonders stark könnon
diese StSrungen dann werden, wenn die gesamte Laufzeit T zur Umlautzeit des BelUfterrades
in einem ganzzahligen Verhältnis steht (wobel auch die Anzahl der Flügel oder Schaufeln
des Bel@fterrades eine Rolle spielt). Ähnliche Erscheinungen ergeben sich auch für
nicht kreisförmige, jedoch regelmäßig polygnnale Bockonformen, wobel allerdings
mit abnehmender Seitenzahl, z.B. also beim quadratischen Becken, die Resonanzempfindlichkeit
abnimmt.
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Wird der Belüfter nun gemäß der Erfindung um den Betrag d außermittig
angeordnet, so haben die zu verschiedenen Punkten des Beokenumfangs laufenden Wellen
unterschiedliohe Laufstreoken in den
Grenzen von R - d bis R +
d und damit auch ezltsprechend unterschiedliche Laufzeiten, so daß keine Resonanz
über den ganzen Beckenumfang mehr auftreten kann. Die Wirksamkeit einer derartigen
Anordnung des Belüfters wird durch den folgenden Vergleichsversuch belegt, IN einem
quadratischen Becken mit 6,3 m Seitenlänge und etwa 92 m3 Beckeninhalt wurde ein
Belüftungskreisel mit 3 KW Leistung, einer Drehzahl von 75 UpM und einer Eintauchtiefe
von 7 cm installiert, der mit 12 Belüftungflügeln bestückt war.
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Wurde der Kreisel konzentrisch zum Becken installiert, so ergaben
sich transversale Wellenschwingungen mit einer Amplitude # 10 cm und einer Schwingungsfrequenz
von 0,67 pro Sekunde. Diese Wellen hatten Schwankungen in der Leistungsaufnahme
des Belüttera von t 26% zur Folge Wurde dagegen der Belüfter außermittig angeordnet,
woei der Abstand zwischen Belüfterachse und Beckenmittelpunkt 1 m betrug, so ergaben
sich keinerlei meßbare periodosche Oberflächenschwankungen und die Schwenkungen
der Leistungsaufnahme betrugen weniger
als ) 3,5,.
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Darüber hinaus haben die Versuohe mit au3ermittiger Anordnung der
Belüfterachse eine wesentlich verbesserte Durchmischung des Beckeninhaltes, d.h.
einen besseren Phasenaustausch zwischen saueratoffreichen und sauerstoffarmen Beckenzonen
und infolgedessen einen erhöhten Sauerstoffeintrag bei gleicher Belüfterleistung
ergebene Bei den eben genannten Versuohsbedingnngen Wurde beim mittigen Einbau des
Bclufters bei einer Leistung von 3, o4 kW ein Sauerstoffeintrag von 5,73 kg Saueratoff
pro Stunde gemessen, was einem spezifischen Sauer-Stoffertrag von 1,89 kgo2/kwh
entsprloht. Dagegen wurde bei der außermittigen Anordnung des Belüfters bei einer
Leistungsaufnahme von 2,93 kW ein Sauerstoffeintrag von 6,49 ket Sauerstoff pro
Stunde gemessen, was einen spezifisohen Sauerstoffertrag von 2,21 kgo2/kWn ergibt.
Die Wirtschaftliohkeit des Sauerstoffeintrages konnte also um ca. 15% gesteigert
werden. Es ist zu beaohten, daß diese Werte in einem quadratisohen Becken ormittelt
murden, das ohnehin von allen aentralsymmetrischen Beokenformen dis geringate Anfälligkeit
gegonüber den oben geschilderton Resonan@ersoheimmgen hat. Bei einem
kreisrunden
Belüftungsbecken ist mit der orfindungegemäßen außermittigen Kreiselanordnung, eine
noch deutlichere Verbesserung der Betriebsbedingungen zu erwarten.
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Oemäß Fig. 2 besteht der an der Brücke 2 gelagerte Belüftungskreisel
aus dem Antriebsmotor 6 mit Getriebe und dem in das Wasser tauchenden Laufrad 7
mit einer geeigneten Anzahl von Schaufeln 8.
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Unter dem Laufrad 7 sind an Stützen 9 befestigte Xeeitflächen lo vorgesehen,
die z.B. kreuz- oder sternförmig angeordnet sein können, Wie Fig. 3 zeigt, können
diese Bleche bei einem nur Belüfterachse im allgemeinen annnhernd parallelen Verlauf
eine leichte Krümmung oder Schrägstellung aus der achsparallelen Richtung heraus
aufweisen derart, daß die durch den Pfeil 13 dargestellte Aufstiegsströmung eine
seitliche Ablenkung erfährt, die der durch den Pfeil 11 in Fig 2 bzw. den Pfeil
12 in Fig. 3 dargestellten Umlaufriohtung des Belüfters entgegengerichtet ist.
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Es ist selbstverständlich, daß zahlreiche Abweiohungen von der gezeigten
Ausführungsform im Rabmen der Erfindung möglioh sind. So kann z.B.
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der Belüftungskreisel, anstatt an einer das Becken überspannenden
Brücke Gelagert zu sein, als schwimmonder Oberflächenbelüfter ausgebildet sein derart,
daß er vom Auftrieb eines oder mehrerer Schwimm- oder Tauchkörper getragen Wird.