DE1964308B2 - Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten in Becken, vorzugsweise für Belüftungsbecken in Kläranlagen, mit einem axialen Pumpenlaufrad, das ein oberhalb davon und in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche angeordnetes, frei drehbares Rad mit senkrechter Drehachse beaufschlagt.

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 Durchmischung und verhindert in verschiedenen Anwendungsfällen, z. B. bei Belebtschlamm in Kläranlagen, die Ablagerung von Feststoffen.

Es gibt reine Umwälzvorrichtungen 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 Schlagleisten. Außerdem sind mit horizontaler Achse Begasungsbürsten sowie rotierende Scheiben bekannt, die teilweise in die Flüssigkeit eintauchen. Zu erwähnen sind auch Begasungseinrichtungen, bei welchen eine zusätzliche Gaseintragung durch unter Druck eingeführtes Gas innerhalb der Begasungsvorrichtung vorgenommen wird.

Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß die Umwälzung der Flüssigkeit und die beabsichtigte Gaseintragung durch eine einzige Vorrichtung hervorgerufen wird und in einem Bereich niedrigen hydraulichen Wirkungsgrades arbeitet Bei der Gaseintragung in Flüssigkeiten wurde hierbei Sorgfalt auf die Ausbildung der reinen Gaseintragungsorgane gelegt, während 5 offensichtlich die Größe der für die reine Strömung benötigten Pumpleistung nicht gleichermaßen berücksichtigt wurde. Die großen Volumenströme und die geringen Förderhöhen verlangen ein axiales Pumpenlaufrad, ggf. mit sorgfältig ausgewählten Leitvorrichtungen sowie Ein-und Auslaufkörpern.

Es sind bereits Vorrichtungen zum Begasen von Flüssigkeiten in der Art von Kreiseln bekannt (USrRatentschrift 2054 395, deutsche Offenlegungsschrift 16 32 423), bei welchen ein mechanisch angetrieebenes, axiales Pumpenlaufrad mit einem ebenfalls mechanisch angetriebenen, koaxialen radialen Pumpenlaufrad zusammenwirkt Während das axiale Pumpenlaufrad in einem günstigen Wirkungsgradbereich arbeitet gilt dies nicht für das radiale Pumpenlaufrad.

Meist ist auch die zulässige Schergeschwindigkeit der in der Flüssigkeit enthaltenen Flocken begrenzt, so daß die Pumpenlaufräder unterhalb einer gewissen Drehzahl arbeiten müssen. Für das radiale Pumpenlaufrad ist die zulässige Drehzahl z. B. 40 bis 100 l/Min., weshalb bei dem üblichen elektromotorischen Antrieb große Getriebe mit mehreren Getriebestufen erforderlich sind.

Bei diesen Vorrichtungen ist der gemeinsame mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad der beiden Pumpenlaufräder ungünstig, der Gaseintrag dagegen

JO günstig.

Ein weiterer Mischer zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten ist bekannt, der mit Hilfe zweier gekoppelten, in entgegengesetzter Richtung fördernden Schraubenschauflern die Flüssigkeit zum Begasen über die Oberfläche verspritzt und mit Hilfe des zweiten Schraubenschauflers unmittelbar von der Oberfläche absaugt und in den unteren Bereich des Flüssigkeitsvolumens abführt (deutsche Patentschrift 9 34 043). Bei diesem Mischer fällt der über die Oberfläche gepumpte Flüssigkeitsstrom glockenartig aus dem zentrischen Führungskörper auf die Flüssigkeitsoberfläche zurück. Während hier der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad günstig ist, wird der Wirkungsgrad des Gaseintrags von dem der umlaufenden 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. Es sind auch bereits Begasungsvorrichtungen bekannt, bei denen ein axiales Pumpenlaufrad eine Sprühdüse beaufschlagt oder einen außen beschaufelten, frei drehbaren Umlenkkörper, durch welche die Flüssigkeit in dem Gasraum versprüht wird (US-Patentschrift 20 72 944). Diese Versprühungseinrichtung ist jedoch so ausgebildet, daß der leistungsbezogene Wirkungsgrad des Gaseintrags nicht optimal sein kann, obwohl der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad günstig ist und auch bereits kleine Getriebe verwendet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 einen verbesserten Gaseintrag zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Rad in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche ein Turbinenlaufrad mit annähernd radialen Kanälen ist.

Für den vorgesehenen Anwendungsfall wird die Flüssigkeit durch eine Pumpe, die in einem günstigen Bereich ihres Wirkungsgrades arbeitet, umgewälzt und in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche durch ein

Turbinenlaufrad mit senkrechter Achse und annähernd radialen Kanälen über die Flüssigkeitsoberfläche verteilt

Der technische Fortschritt besteht darin, daß einerseits durch die Trennung der Vorrichtung in hauptsächlich zwei Elemente für die Umwälzung und Begasung und durch ihre mechanisch-hydraulische Optimierung auch eine Optimierung der Gesamtvorrichtung möglich wird, daß andererseits gleichzeitig die Vorrichtung wesentlich vereinfacht und verbilligt wird und daß außerdem bezüglich der auftretenden Schergeschwindigkeiten eindeutige Verhältnisse verwirklicht werden können.

Durch die Optimierung der Gesamtvorrichtung werden die Betriebskosten, durch die Vereinfachung und Verbilligung die Anlagenkosten gesenkt

Die bekannten Kreisel und das Turbinenlaufrad nach der Erfindung arbeiten in Abhängigkeit von ihrer Größe und Leistung bei durchschnittlichen Drehzahlen von 40 bis 100 Umdrehungen/Minute. Das Getriebe zwischen Motor und Kreisel ist meist zwei- oder mehrstufig und beansprucht etwa 40 bis 70% der gesamten Anlagenkosten. Nach dem Erfindungsgedanken wird nun das Pumpenlaufrad mit der Motordrehzahl direkt oder aber über ein nur einstufiges Getriebe angetrieben, so daß 2^r> entweder das Getriebe zwischen Motor und Pumpenlaufrad völlig oder wenigstens die teure zweite und dritte Getriebestufe entfallen können.

Die niedrige Drehzahl des Turbinenlaufrades wird nicht motorisch und mechanisch, sondern allein jo hydraulisch festgelegt. Durch Wahl des geeignete!! Anstellwinkels zwischen den annähernd senkrechten Kanalwänden und dem Radius in der Nähe des Umfangs kann jede beliebige Drehzahl erreicht werden, z. B. auch die bei Kreiseln üblichen Drehzahlen. J^r>

In einer speziellen Form der Turbine können die annähernd senkrechten Kanalwände an ihren äußeren Enden beweglich ausgebildet sein, so daß sich der Anstellwinkel gegebenenfalls mit Hilfe von Einstellelementen auch noch nachträglich an die Betriebsbedingungen anpassen läßt.

Vielfach wird in der Praxis verlangt, die Höhe der Begasungsvorrichtung während des Betriebs zu verstellen. Hierfür wird oft die ganze Begasgungsvorrichtung mittels eines Hubwerks oder auch ein axial-verschiebbares Sondergetriebe angehoben und abgesenkt. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform bleibt das Pumpenlaufrad stets in der gleichen Höhenlage und nur das Turbinenlaufrad, welches in manchen Ausführungsformen gleichzeitig das Pumpengehäuse einschließlich der Einlauf- und Auslauföffnungen bildet, ist nach Bedarf höhenverstellbar. Dadurch wird auch das Hubwerk gegenüber der herkömmlichen Ausführung wesentlich leichter und billiger.

In einer weiteren Ausführung ist vor dem Turbinenlaufrad ein besonderer Umlenkkörper angeordnet, welcher die von der Pumpe axial zuströmende Flüssigkeit so umlenkt, daß sie die Turbine annähernd radial beaufschlagt. Der Umlenkkörper kann entweder feststehen oder in anderen Ausführungen mit dem w> Pumpenlaufrad oder dem Turbinenlaufrad umlaufen. Insbesondere aber kann er das Gehäuse für das Pumpenlaufrad bilden. Auch ein Hubwerk kann in den verschiedenen Bauformen entweder auf den Umlenkkörper oder auf das Turbinenlaufrad oder auf beide Teile wirken.

An dem Umlenkkörper kann außerdem vorteilhaft eine feststehende, leitvorrichtungsartige Beschaufelung zur Verbesserung des Wirkungsgrades angeordnet sein und zwar unter Umständen so nahe am Pumpenlaufrad, daß es zwischen den Schaufeln der Leitvorrichtung und des Pumpenlaufrades zu einem Schneidevorgang kommt

Die kritische Größe der Schergeschwindigkeit bei Kreiseln ist bei einzelnen Anwendungsfällen, zum Beispiel bei Belebtschlamm in Kläranlagen, die Strömungsgeschwindigkeit, unter deren Einfluß die Belebtschlamm-Flocken zerstört werden. Die Grenzgeschwindigkeiten dürfen nicht überschritten werden. Bei der Begasungsvorrichtung können nun vorteilhafterweise die Umdrehungsgeschwindigkeiten vom Pumpenlaufrad und Turbinenlaufrad gleich groß und unterhalb der kritischen Grenzgeschwindigkeit liegend eingestellt werden.

Die Erfindung 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 sich auf der Brücke (4) 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 (8) in annähernd radiale Kanäle, deren Anstellwinkel gegen den Radius durch Einstellelemente

(9) gewählt werden kann. Das Unterteil (8) des Turbinenlaufrades bildet gleichzeitig das Ansaugrohr

(10) für das Pumpenlaufrad (1). Die Länge des Ansaugrohres ist bei Verwendung eines Turbinenhubwerkes mindestens auf die Relativbewegung (11) zwischen Pumpe und Turbine durch den Hub abgestimmt. Das Oberteil (7) des Turbinenlaufrades stützt sich beispielsweise über Lagerelemente (12) gegen die Antriebswelle (2) ab. Die Turbine ist mittels eines Verbindungsrohres (13) und einer Drehverbindung (14) drehbar an der Brücke (4) beziehungsweise am Hubwerk befestigt. Das Hubwerk besteht beispielsweise aus einem inneren (15) und äußeren (16) Stützring, die sich gegenseitig durch rollende oder gleitende Stützelemente (17) bewegen können. Der innere Stützring (15) wird durch Spindelmuttern (18) und Spindeln (19) an der Brücke gehalten. Durch den gemeinsamen Antrieb über einen Hubmotor (20), Kettenräder (21) und Kette (22) oder ähnliche Elemente wird der innere Stützring (15) und damit die Turbine angehoben oder abgesenkt.

In F i g. 2 ist zwischen dem axialen Pumpenlaufrad (24) und dem radialen Turbinenlaufrad (25) ein Umlenkkörper mit einem Oberteil (26) und einem Unterteil (27), die mittels Stegen (28) miteinander verbunden sind, angeordnet Der Umlenkkörper bildet hier das Gehäuse für das Pumpenlaufrad (24) und dient gleichzeitig für eine gegebenenfalls vorgesehene Leitvorrichtung (29). Das Turbinenlaufrad (25) ist wiederum mit einem Verbindungsrohr (30) und einer Drehverbindung (31) an der Brücke (32) befestigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten in Becken, vorzugsweise für Belüftungsbecken in Kläranlagen, mit einem axialen Pumpenlaufrad, das ein oberhalb davon und in der Nähe der Flüssigkeitsoberfiäche angeordnetes, frei drehbares Rad mit senkrechter Drehachse beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad in der^: Nähe der Flüssigkeitsoberfläche ein Turbinenlaufrad mit annähernd radialen Kanälen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Turbinenlaufrad der Anstellwinkel zwischen den annähernd senkrechten Kanalwänden (6) und dem Radius in der Nähe des Umfanges durch Einstellelemente (9) fixierbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenlaufrad das Gehäuse für das axiale Pumpenlaufrad (1) bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen axialem Pumpenlaufrad (24) und radialem Turbinenlaufrad (25) ein feststehender oder umlaufender, im wesentlichen unbeschaufelter Umlenkkörper mit axialer Zuströmung und radialer Abströmung angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkkörper das Gehäuse für das Pumpcnlaufrad (24) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitvorrichtung (29) am Umlenkkörper angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6_: dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenlaufrad und/oder der Umlenkkörper höhenverstellbar ist.