DE1964308A1 - Vorrichtung zum Begasen und Umwaelzen von Fluessigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zum Begasen und Umwaelzen von FluessigkeitenInfo
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Description
IIaschinenfabrik :!. Gei-er 17. Des, 1963
Karlsruhe
B e s C h reibung
Die Erfindung betrifft eine Forrichtung zum Begasen und
Umwälzen von Flüssigkeiten, z.B. von Belebtschlamm in
KLäranlagentund besteht aus- einem- vorzugsweise axialen
Pumpenlaufrad und einem Turbinenlaufrad, welches mit
senkrechter Brechachse-, in der Ilähe der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, ""
Oberflächenbelüfter erreichen den hohen Gaseintrag durch .
ununterbrochene und rasch aufeinanderfolgende Neubildung der gasaustauschenden Grenzflächen an der Flüssigkeitsoberfläche.
Die Bewegung der Flüssigkeit sorgt gleichzeitig für die Durehmischung und verhindert"in verschiedenen
Anwendungsfällen z.B. bei Belebtschlamm in Kläranlagen die Ablagerung von Feststoffen.
Es gibt reine Umwälζvorrichtungen auf dem Prinzip von
Propeller-Rührwerken und solche mit radial oder halbradial
durchströmten Pumpenlaufrädern sogenannte Kreisel, entweder
mit teilbeaufschlagten Schaufeln oder mit voll durchströmten Kanälen oder mit Sehlagleisten.Außerdem sind .mit horizontaler
Achse Begasungsbürsten sowie rotierende Scheiben bekannt.
die teilweise in die Flüssigkeit eintauchen, £u erwähnen
sind auch Begasungseinrichtungen frei welöhen eine zusätzliche
Gaseintragung durch unter Druck eingeführtes Gas innerhalb ™
der Begasungsvorrichtung vorgenommen wird.
Alle diese Einrichtungen haben den ITaehteil. daß die
Umwälzung der Flüssigkeit und die beabsichtigte Gaseintragung
durch eine einzige Vorrichtung hervorgerufen wird«
Bei der gestellten Aufgäbe der Gaseintragung in Flüssigkeiten
wurde bisher sehr viel Sorgfalt auf · <lie Ausbildung der
reinen^ Gaaeintragungsorgane^ gelegt,; während offensiehtlich
4ie. Große der für die reine Strömungisnötigteii Pumpleistung
nicht gleibhermaßen berücksichtigt ii^rde. Die umfangreichen
Unterouchungen dieses Probleios z&i$ßn nämüeh daß für die
Aufrechterhaltung der gtrömungsenergle xmr epci Bruchteil der
- Seite 2 1Q9626/H40
bei solchen Vorrichtungen installierten elektrischen Leistung benötigt wird.
Bei der Betrachtung des reinen Förderproblems stellt ein
Pumpenfachmann fest, daß mit den bisher benutzten Fördereinrichtungen kein optimaler Pumpenwirkungsgrad
erreicht werden kann. Die Volumenströme und die geringen Förderhöh en verlangen ein axiales Pumpenlaufrad ggf. mit
sorgfältig ausgewählten Leitvorrichtungen sowie Ein- und Auslaufkörpern.
Es ist bereits eine Begasungsvorrichtung bekannt bei der
ein axiales Pumpenlaufrad eine Sprühdüse beaufschlagt durch
welche die Flüssigkeit in einen Gasraum versprüht wird. Die Vorrichtung ist vorzugsweise für den Einsatz bei Trinkwasser—
anlagen oder anderen vorgereinigten Flüssigkeiten geeignet. Die ZulaufVerhältnisse zur Pumpe und vor allem die
Versprühunseinrichtung sind jedoch so ausgebildet daß der
leistungsbezogene Wirkungsgrad des Gaseintrags nicht optimal sein kann.
Außerdem ist in der deutschen Patentschrift 934 o43 ein
Mischer zum !.Iischen von Gasen und Flüssigkeiten beschrieben
welcher mit Hilfe zweier gekoppelten in entgegengesetzter Richtung fördernden Schraubenschauflern die Flüssigkeit zum
Begasen über die Oberfläche verspritzt und mit Hilfe des
zweiten Schraubenschiiuflers unmittelbar von der Oberfläche
absaugt und in den unteren Bereich des Flüssigkeitsvolumens
abführt. Bei diesem Mischer fällt der über die Oberfläche
gepumpte Flüssigkeitsstrom glockenartig aus dem zentrischen
Führungskörper 8 auf die Flüssigkeitsoberfläche zurück. Der Wirkungsgrad des Gaseintrags derartiger Einrichtungen
wird allerdings von dem der umlauf enden Kreisel übertroffen
bei denen die Flüssigkeitsglocke in einzelne Strahlen
zerlegt ist und / oder bei denen diese Strahlen selbst
eine rotierende Bewegung um die vertikale Achse ausführen,
- Seite 3 - ' 109826/1U8
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen die eigentliche
Aufgabe der Umwälzung und Begasung in zwei Aufgaben zu trennen und jeweils durch eine weitgehend optimal
wirkende Vorrichtung zu lösen.
Für den beschriebenen Anwendungsfall wird daher erfindungsgemäß
die Flüssigkeit durch eine Pumpe die in einem günstigen Bereich ihres Yiiirkungsgrades arbeitet umgewälzt
und in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche durch ein'
Turbinenlaufrad mit senkrechter Achse und annähernd radialen
Kanälen über die Flüssijkeitsoberflache verteilt.
Dem Anwendungsfall entsprechend wird vorzugsweise eine
Pumpe mit axialem Laufrad- welche z.B. mit Hilfe des
Cordier-Diagramms optimal ausgelegt ist benutzt.
Die F.rfindung ist In der Zeichnung beispielsweise dargestellt.
Fig 1 und FIg 2 zeigen senkrechte Schnitte durch zwei der
möglichen Ausbildungsformen.
In FIg 1 ist ein axiales Pumpenlaufrad (1) über eine
Antriebswelle (2) mit dem Antriebsmotor (3) verbunden,
welcher -ich auf der Brücke abstützt- die das Becken"(5)
und die Flüssigkeit (23) überspannt. Im Turbinenlaufrad unterteilen die annähernd senkrechten Wände (6) den
ringförmigen Raum zwischen dem Oberteil (7) und dem Unterteil (δ) in annähernd radiale Kanäle, deren Anstellwinkel gegen
den Radius durch Einstellelemente (9) gewählt werden kann. Das Turbinenunterteil (8) bildet gleichzeitig·das Ansaugrohr
(1ο) für das Pumpenlauf rad.""(T), Die Lange des Ansaugrohres
. ist Lei Verwendung eines Turbinenhubwerkes mindestens auf
die Relativbewegung (11) zwischen Pumpe und Turbine durch
den Hub; abgestimmt. Das Turbinenoberteil (7) stützt sich
beispielsweise über Lagerelemente (12) gegen die Antriebswelle (2) ab. ^i^ Turbine ist■ "mitt^lF- ρϊηηε Vrr- i:- iur "=.-
,«■ - .-W^ rt . 1 098 26/U48 ^n
198430a
rohres (13) und einer Drehverbindung (14) drehbar an der Prücke
(4) tieziehunpBweise am Hubwerk befestigt, Das Hubwerk besteht
beispielsweise aus einem inneren (1:5) und äußeren (1f) Stützrin«,
die sich ""e^enseitis durch rollende oder gleitende Stützelemente
(17) bewegen können· Der innere StÜtzrin1· (15) wird durch Spindel·
muttern (18) und Spindeln (19) an der "Rrücke "-ehalten. Durch den
femeinsamen Antrieb über einen Hubmotor (2o), Kettenräder (21)
und Kette (22) oder ähnliche Elemente wird der innere Stützrin"
(15) und damit die Turbine angehoben oder ab<esenkt.
In Fir 2 ist zwischen dem axialen Pumpenlaufrad (24) und dem
radi alen Turbinenlaufrad (25) ein Umlenkkörper mit einem Cbertoi"
(26) und einem Unterteil (27.)> die mittels Steven (28) uiitpinande]
verbunden, sind, anreordnet, Der Umlenkkörper bildet hirr dan"
Gehäuse für das Pumpenlaufrad (24) und dient .^leichzeiti'" für
eine gegebenenfalls vorgesehene Leitvorrichtunr (29). Das
Turbinenlaufrad (25) ist wiederum mit einrm Verbindun^srohr
(3o) und einer Drehverbindun:- (31) an "der "rrücke (32) bofesti'-t.
Der Erfindunrsf^e^enstand weist ™&~enii\)er den bekannten Treiceln"
neue wesentliche Ferkmale auf f die außpr dan wirlam^B-'rad —
bezofenen Petriebskosten auch die AnIa-enkosten senkon.
Die Freisei arbeiten in Abhän^ikeit von ihrer CrvöRe und Leistun:1"
a · bei durchschnittlichen Drehzahlen von 4o bis too Umdrehungen
/ Minute« Das Getriebe zwischen Motor und kreisel ißt mdlst
zwei- Ofder mehrstufi und beanßprucht etwa 4o bis 7o J- der ,
gesamten Anla^enkosten* ilach dem TÜrfindun^sr-edanken wird nun das
Pumpenlaufrad mit -^r Γ^ο tor drehzahl direkt oder aber über ein
nur einstu :i -es Geiriebe angetrieben, so daß das Getriebe
zwischen Motor und Pumpenlaufrad völli^· oder wenigsten die
teure zweite und dritte (retriebeDtufe entfallen kanii*.
Das Konstruktionselementi, welches für den eigentlichen
vorranp sornt, ist nach dem Erfinflunrsr-edanlcen das JPurbinen-'
laufraäi dessen Drehzahl aber wird nicht motorisch und mechanisch sondern allein hydraulisch fest-elertr Durch Wahl
109826/ 14 4 8
bad
des ,feei~neten Anstellwinkeln zwischen den annähernd senkrechten
Kanalwänden und dem Radius in der Ilähe des Umfan^s kann jede
beliebige DrQhifcahl erreicht werden, z.P» auch die bei Kreiseln
Üblichen Drehzahlen.
In einer" speziellen Form der Turbine können die annähernd
senkrechten Kanalwände an ihren äußeren Enden beweglich ausrebildet
sein, so daß sich der Anstellwinkpl ."'•er-ebenenfalls
rait Hilfe von Kinstellelementeii auch noch nachträglich an die
Betriebsbedin/mn^en anpassen läßt.
Vielfach wird in der T'rap-ii? verlan~t, die löhn der Be^asun^svorrichtung
während des Potriobs au verstellen. Hierfür wird
oft die fanze T\efi "u:'ι-s vorrieh tun/1·mittels eines Hubwerks 4C^
oder durch oin'verscliiobbaros Bonder^etriebo an-ehobon und
abgesenkt. !lach dem Erfindun^s^edanken bleibt die Pumpe
stets in der bleichen Höhehlare* "Tür das Turbinenlaufrad,
welchen i-~ manchen luaführun'-Bformen "lGichzeitir das Pumpen-
^ehäuae einschließlich der·' Jiinläuf- und "-Auslauf Öffnungen ·
bildet, ist nach Bedarf Höhenverstellbar* JJadurch wird das
Hubwerk "-oreri'v} rr der ilerkömmlichen Ausführun- γ/esentlich ■
leichter und billiger* -.■"-.- : ; :
einer weiteren Ausführun- int vor dem Turbinenlaufrad ein
besonderer Umler.k?:örper an^oordn^t, v/elcher die von der Pumpe λ
axial zuntrömendo ^lünci'-koit so umlenkt, daß sin die Turbine
annähernd radial beaufnchla-t. Der Umlenkkörper kann entweder
feststehen odor in anderen ',usführum-Rn mit dem Pumpenlaufrad
öder dem Turbinenlaufrad umlaufen. Insbesondere aber kann er
AfSM Gehäuse für das Pumpenlaufrad bilden. Auch ein Hubwerk
kann in den Verschiedenen Bauformen entweder auf den Umlenk- körper oflor jiuf das Turbinenlaufrad oder auf beide Teile
wirken, i j :
'■"'■' · ■
■Λ··ΐ dem tJmlenkkörper kann außerdem vorteilhaft eine feststehende,
lettvorrichwnfsarti^e Hoschnufeltiir !»iipllbrbeeserun^ den
Wirkun^e( rt;ra4ee angeordnet sein und zwar unter Umständen do
- Seito 6 - -
nähe am Pumpenlaufrad, daß es zwischen den Schaufeln der Le it-" ·
vorrichtung und des Pumpenlaufrades zu einem Schneidevor'-anf
kommt, falls faserige Bestandteile in der Plüssi~keit enthalten
sind. Die gegenüberliegenden Ka nten der Schaufelkrtinze sind
"hierfür vorteilhaft mit Sphneideleisten versehen.
Eine kritische Größe bei Kreiseln ist bei einzelnen Anwendunrsfallen,zum
Beispiel bei Belebtschlamm in Kläranlagen,die
Strömungsgeschwindigkeit, unter deren Einfluß dip. belebtschlammflocke
zerstört wird. Aus diesem Trund werden bei relebtschlamm-Anla^en
gewisse Grenz~eschwindi keiten nicht überschritten. Bei
der Be^asun^svorrtchtunf1; nach dem Erfindung fedanken können
vorteilhafterweiße die Umdrehun^sceschwindi -keitcn vom Pumpenlaufrad
und Turbinenlaufrad rleich/*roß und unterhalb der
kritischen Grenzgeschwindigkeit liegend Gin-Bestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Be:-asun~svorrichtunr
nach dem Brfindun^sbedanken auch dafür eingesetzt
werden, - um die noch v/eni" erforschten "enaUGii '7erte der
kritischen Grenzneschwindi-keiton zu messen«und die verschiedene?:«
Einflüsse auf die Be^asun^ innerhalb des komplexen Vor^anrs
der fleichzeitir'en Umwälzun- und Grcnaflächenbeschaffunr* zu
erkennen. Durch die Wahl eine3 bo-stimmten Betriebspunktes für
den PumpvorTan^ und voriinderlicliBr retriebsbodinr"un.7 für die
Be.~:tt8un£ kann außerdem die wirkliche optimale Größe der
Bega suncseinhcit festgestellt werden. Erfindun^s^emaß wird
daher ein Verfahren zur Be ^asunn und Umwälzung von PlÜssi ·-
keiten in der Art vorgeschlagen, daß die Drehzahlen der Pumpe
und !Turbine so eingestellt werden, daß sowohl für die Pumpe ;
als auch für dens Gas eintraf durch die Turbine ein optimaler H
Wirkuncsrrad erreicht wird, i
»»m,„ .~<ϊ.- 109826/IUB . p 67
BAD
Claims (11)
1) Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten,
dadurch gekennzeichnet, daß in der ITähe der Flüssigkeitsoberfläche ein Turbinenlaufrad (Segner*sches Wasserrad)
mit senkrechter Drehachse und mit annähernd radialen Kanälen angeordnet ist*
2)-Vorrichtung nach Ansprueh 1. dadurch gekennzeichnet daß
eine Pumpe mit axialem Laufrad deren Förderleistung zum A
Beispiel mit Hilfe des Cordier-Diagrainms optimal ausgelegt
ist, das Turbinenlaufrad beaufschlagt.
3) Vorrichtung nach Ansprueh 1 und 2, dadurch gekennzeichnet
- daß in der Turbine der Anstellwinkel zwischen den annähernd
senkrechten Kanalwänden und dem Eadius in der Nähe des
Umfangs durch Einstellelemente fixierbar ist.
4) Vorrichtung nach Ansprueh 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet
daß die Kanäle auf minftestens einer Längsseite offen sind,
ö) Vorrichtung nach Ansprueh 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet
daß das Turbinenlaufrad das Gehäuse für das Pumpenlaufrad
bildet. ■ -4
6) Vorrichtung nach Ansprueh ί Ms 5, dadurch gekennzeichnet
daß zwischen axialem Pumpenlaufrad und rad-ialem Turbinenlaufrad
ein feststehender oder umlaufender, im wesentlichen unbeschaufelter Umlenkkörper mit axialer !Zuströmung und
radialer Abstrb'mung angeordnet ist,
7) Vorrichtung nach^ Ansprueh 6., dadurch gekennzeichnet
daß der ür.lenkkörper das Gehäuse für das Pumpenlaufrad
bildet,
P67 109826/UA8
BAD
19&43Ö8
8) Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet
daß eine Leitvorrichtung am Umlenkkörper angeordnet ist.
9) Vorrichtung, nach Anspruch 1 bis 8, dadurch "gekennzeichnet
daß das Turbinenlaufrad und / oder der Umlenkkörper höhenverstellbar
ist.
10) Verfahren zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeitenmittels
einer Pumpe und einer Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 9. dadurch gekennzeichnet daß die
Umdrehungsgeschwindigkeiten von Pumpe und Turbine an
α ihrem Umfang jeweils gleich groß sind,
11) Verfahren zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten mittels einer Pumpe und einer Turbine nach einem der
Ansprüche 2 bis 9, dulurch gekennzeichnet daß die
Umdrehungsgeschwindigkeiten von Pumpe und Turbine jeweils
nach dem-optimalen Wirkungsgrad der Pumpe bzw. Gaseintrags
durch die Turbine eingestellt werden.
109826/1448
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