DE19737312A1

DE19737312A1 - Laufrad für Kreiselpumpen

Info

Publication number: DE19737312A1
Application number: DE1997137312
Authority: DE
Inventors: Helmut Linke
Original assignee: SCHURAN HERMANN
Current assignee: SCHURAN HERMANN
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-03-11

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselpumpen zum Fördern von Flüssigkeit-Gas-Gemischen.

Es gibt viele Fälle, in denen Gase in Flüssigkeiten einzubringen sind. Er wünscht ist dann, daß das Gas in möglichst feinen Blasen vorliegt, da wegen der dann größeren Gesamtoberfläche eine bessere Verteilung der Grenzflächen zur Flüssigkeit erreicht wird.

Anwendungsbeispiele sind Prozesse, bei denen dem flüssigen Medium in einem Behälter Prozeßgase wie Kohlendioxid zugesetzt werden, und die Abwasserauf bereitung in Kläranlagen, Kompostierungsanlagen, Brauereien, Zoos, Aquarien und Fischteichen, in deren Verlauf das belastete Abwasser mit Gasen wie Luft, Sauerstoff oder Ozon angereichert wird.

Als typisches Beispiel für die Abwasseraufbereitung werden die Aquakulturen näher betrachtet. Hier wird das Süß- oder Meerwasser, in dem die Wassertiere wie Robben, Pinguine, Austern, Hummer und Forellen gehalten werden, durch Exkremente, Futterreste, abgestorbene Pflanzenteile, Biomasse, Proteinen und dergleichen stark belastet. Diese Schmutzstoffe müssen kontinuierlich aus dem Wasser entfernt werden, um insbesondere eine Vermehrung pathogener Keime, eine Sauerstoffzehrung durch mikrobiologische Zersetzung und belastende Mi neralisationsvorgänge wie die Bildung von Ammonium, Nitrit oder Nitrat zu unterbinden.

Als hierfür besonders geeignetes Verfahren ist die Abschäumung, die auch als Schwimmaufbereitung oder Flotation bezeichnet wird, bekannt und weit ver breitet. Bei diesem Verfahren wird das belastete Wasser kontinuierlich in einen Flotationsreaktor gepumpt und dort mit feinen Luftblasen in Berührung ge bracht. Diese steigen in dem Flotationsreaktor an die Wasseroberfläche und nehmen auf ihrem Weg Schmutzpartikel mit, die sich auf Grund von Grenzflä cheneffekten an die Blasen anlagern. Die Blasen bilden an der Wasseroberflä che eine Schaumdecke, die über den oberen Rand des Flotationsreaktors ge drückt und aufgefangen wird.

Der Erfolg und die Effizient dieses Verfahrens hängen stark von der Größe der Blasen ab. Je kleiner die Blasen sind, um so größer ist bei gleicher Luftmenge die gesamte Grenzfläche zwischen Luft und Wasser und somit die Anlage rungsmöglichkeit für Schmutzpartikel. Zudem steigen kleinere Blasen langsa mer auf als größere.

Der Eintrag der Luftblasen erfolgt in der Regel mit Auströmern, Zweistoffdüsen oder Dispergatoren.

Ausströmer sind feinporige Blöcke aus Holz oder Keramik, in die durch eine Bohrung die Luft mit Hilfe einer Pumpe hineingedrückt wird. Es besteht die Gefahr, daß die Poren verstopfen, beispielsweise durch Verrottung des Holzes oder durch Anlagerung von Mineralien. Dadurch kommt es zu erheblichen Schwankungen der Luftblasenmenge und -größe, die die Abschäumeffizienz be einträchtigen. Daher müssen Ausströmer oft ausgewechselt werden.

Zweistoffdüsen umfassen Ejektoren, die mit Wasserstrahlpumpen vergleichbar sind, und Injektoren, die nach dem Venturi-Prinzip arbeiten. Beide blasen ein Luft-Wasser-Gemisch in den Flotationsreaktor. Bei einem Ejektor wird das Wasser als Treibmittel unter hohem Druck durch eine kleine Öffnung in einen Mischraum geleitet, in den durch ein weitere Öffnung die Luft angesaugt wird. Bei einem Injektor sind hingegen die Rollen vertauscht, so daß die Luft als Treibmittel das Wasser ansaugt. In beiden Fällen ist für eine gute Vermischung von Luft und Wasser ein hoher Druck des Treibmittels erforderlich. Außerdem verstopfen sie leicht, beispielsweise durch Anlagerung von Mineralien oder durch Schmutzpartikel, falls der Düse Abwasser zugeführt wird. Die letztge nannte Ursache kann zwar durch die Verwendung von sauberem Wasser besei tigt werden, hierdurch entstehen aber zusätzliche Kosten und Aufwand.

Dispergatoren sind im Prinzip Kreiselpumpen, deren Gehäuse jedoch neben dem Einlaß für das Wasser einen zusätzlichen Einlaß für Luft aufweist. Das ro tierende Laufrad zieht Wasser und Luft in das Gehäuse ein. Dabei zerteilt es die Luft und vermischt sie intensiv mit dem Wasser. Als Laufrad werden her kömmliche Flügelräder eingesetzt, die aus den normalen Kreiselpumpen be kannt sind.

Aus der DE 44 16 447 C ist ein Laufrad für Kreiselpumpen zum Fördern von Flüssigkeit-Gas-Gemischen bekannt. Dieses Laufrad, das dort als Impeller be zeichnet wird, ist ein mehrere Nadeln tragendes Rad. Der Impeller kann meh rere hintereinander drehfest auf einer Achse befestigte Nadelscheiben aufwei sen. Bevorzugt ragen die Nadeln sternförmig vertikal zur Impellerachse nach außen. Der Impeller ersetzt in einer herkömmlichen Kreiselpumpe deren Flü gelrad, und das Pumpengehäuse weist neben dem üblichen Wassereinlaß und - auslaß einen Luftansaugstutzen auf. Der rotierende Impeller saugt gleichzeitig Luft und Schmutzwasser an. Dabei kommt es zu einer Verwirbelung der Luft mit dem Wasser und einem Zerschlagen der Luftblasen. Dieses Luft-Wasser-Gemisch verläßt die Pumpe durch den Auslaß.

Die oben erwähnten bekannten Laufräder müssen jedoch relativ schnell rotie ren, um eine zufriedenstellende Zerteilung zu erhalten, was mit einer hohen Geräuschentwicklung verbunden ist und auf Grund der Reibung zu einer uner wünschten Erwärmung des Wassers und einem starken Verschleiß des Laufrads führt. Außerdem kann es leicht passieren, daß die Kreiselpumpen gar kein Wasser mehr ansaugen können, wenn sie zuviel Luft ansaugen. Sie müs sen dann erst entlüftet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laufrad der eingangs genannten Art zu schaf fen, bei dem die oben erwähnten Probleme nicht oder in vermindertem Umfang auftreten und das kleinere Gasblasen erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad für Kreiselpumpen zum Fördern von Flüssigkeit-Gas-Gemischen gelöst, das durch wenigstens ein Förderelement mit einer überwiegend offenzelligen Struktur gekennzeichnet ist.

Durch die erfindungsgemäße offenzellige Struktur des Förderelements weist das Laufrad eine sehr große und zerklüftete Oberfläche mit vielen Kanten auf. Daher wird das Gas vollständig in sehr kleine Blasen zerschlagen. Außerdem ist der Strömungswiderstand niedriger als bei einem herkömmlichen Laufrad mit vergleichbaren Abmessungen, was zu einer Verringerung des Energiebe darfs führt. Zudem ist sowohl die Geräuschentwicklung als auch die Flüssig keitserwärmung stark vermindert.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die offenzellige Struktur kann auf vielfältige Weise erzielt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß das Förderelement wenigstens teilweise aus Schaumstoffe Geflecht, Gewebe und/oder Vliesstoff hergestellt ist. Diese Maßnahmen können für ein Förderelement allein oder in Kombination mit we nigstens einer der anderen Maßnahmen vorgesehen sein, und das Laufrad kann auch mehrere derartige Förderelemente aufweisen.

Wenn das Förderelement Vliesstoff aufweist, dann ist bevorzugt der Vliesstoff verfestigt. Die Verfestigung kann beispielsweise mechanisch, wie zum Beispiel durch Vernadeln, und/oder adhäsiv, wie zum Beispiel durch Verkleben, und/oder kohäsiv, wie zum Beispiel durch Verschweißen, erfolgen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Förderelement wenigstens teilweise aus Metall und/oder wenigstens teilweise aus Kunststoff, insbesondere Po lyvinylchlorid hergestellt ist.

Bevorzugt weist das Laufrad wenigstens eine Trägerscheibe auf, an der jeweils wenigstens ein Förderelement befestigt ist. Die Befestigung kann beispielsweise durch Kleben und/oder Schweißen und/oder Klammern erfolgen.

Es ist vorteilhaft, wenn das Förderelement einen im wesentlichen kreisförmi gen oder im wesentlichen kreisringförmigen Grundriß hat.

Besonders zweckmäßig ist eine Kreiselpumpe zum Fördern von Flüssigkeit- Gas-Gemischen, mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Ge häuse, einem Motor und einem erfindungsgemäßen Laufrad, das drehbar in dem Gehäuse gelagert ist und von dem Motor angetrieben wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein teilweise geschnittener Aufriß einer erfindungsgemäßen Krei selpumpe;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Kreiselpumpe längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laufrads in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4 ist ein geschnittener Aufriß eines erfindungsgemäßen Laufrads in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 ist eine Untersicht des Laufrads von Fig. 4;

Fig. 6 ist ein geschnittener Aufriß eines erfindungsgemäßen Laufrads in einer dritten Ausführungsform; und

Fig. 7 ist eine Draufsicht des Laufrads von Fig. 6.

In Fig. 1 und 2 ist eine Kreiselpumpe 10 zum Fördern von Flüssigkeit-Gas- Gemischen schematisch dargestellt. Die folgende Beschreibung bezieht sich bei spielhaft auf den Einsatz einer derartigen Kreiselpumpe 10 in einer Reini gungsanlage für ein Meerwasseraquarium, bei der Luft in das Meerwasser ein gebracht wird. Je nach Anwendungsfall können aber auch andere Flüssigkeiten und Gase in Frage kommen.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist die Kreiselpumpe 10 ein im wesentlichen kreiszylin drisches Gehäuse 12 auf, das auf einem Elektromotor 14 sitzt. Die Antriebs welle 16 des Motors 14 ist zentrisch durch den Boden des Gehäuses 12 geführt und dreht sich im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 2. Auf der Welle 16 ist drehfest ein Laufrad 18 angebracht, das im wesentlichen eine kreiszylindrische Grund form hat. Das Laufrad 18 füllt das Innere des Gehäuses 12 nahezu vollständig aus und ist so angeordnet, daß es an keiner Steile das Gehäuse 12 berührt.

Das Gehäuse 12 weist einen Einlaß 20 für das verschmutzte Wasser aus dem Aquarium, einen weiteren Einlaß 22 (siehe Fig. 2) für die Luft und einen Aus laß 24 (siehe Fig. 2) für das Wasser-Luft-Gemisch auf. Der Wassereinlaß 20, der Lufteinlaß 22 und der Auslaß 24 sind als rohrförmige Stutzen ausgebildet, die im wesentlichen tangential in das Gehäuse 12 münden. Der Lufteinlaß 22 ist dabei in Drehrichtung direkt vor dem Wassereinlaß 20 angeordnet. Er kann jedoch auch in den Stutzen des Wassereinlasses 20 oder in den auf den Stutzen aufgesteckten Saugschlauch vom Aquarium münden.

Auf den Lufteinlaß 22 ist ein kurzer Gummischlauch 26 aufgesteckt, der zur Einstellung der angesaugten Luftmenge mit einer Schlauchklemme 28 versehen ist. Der Schlauch 26 endet hier im Freien, so daß die Umgebungsluft mit dem Wasser vermischt wird, er kann jedoch auch über ein Mischventil an eine mit Ozon gefüllte Gasflasche angeschlossen sein, so daß ein Luft-Ozon-Gemisch mit dem Wasser vermischt wird. Dies kann unter gewissen Umständen erforderlich sein, da das Ozon die Reinigung des Wassers in einem nachgeschalteten Flota tionsreaktor unterstützt.

Das Laufrad 18 umfaßt ein oder mehr Förderelemente 30, die gemeinsam im wesentlichen die kreiszylindrische Form des Laufrads 18 definieren und von denen jedes zumindest auf seiner Umfangsfläche eine Vielzahl von Vertiefun gen aufweist. Wenn sich das Laufrad 18 dreht, dann führt diese rauhe Oberflä chenstruktur dazu, daß einerseits das Wasser-Luft-Gemisch in dem Gehäuse 12 mitgenommen wird, so daß sich ein rotierender Wirbel bildet und Wasser und Luft sowohl durch die Einlässe 20 und 22 angesaugt als auch durch den Auslaß 24 ausgestoßen werden, und daß andererseits die angesaugte Luft in feinste Bläschen zerschlagen und intensiv mit dem Wasser vermischt wird.

Die oben erwähnte rauhe Oberflächenstruktur der Umfangsfläche kann auf vielfältige Weise erzielt werden. So kann beispielsweise das Förderelement 30 Poren aufweisen, von denen sich einige auf der Umfangsfläche nach außen öff nen. Das Förderelement 30 kann neben den außenliegenden Poren auch weiter innen liegende Poren aufweisen, die offen, das heißt, daß sie untereinander in Verbindung stehen, und/oder geschlossen sein können. Dies kann dadurch er reicht werden, daß das Förderelement 30 aus einem Block aus entsprechend of fenzelligem, gemischtzelligem oder geschlossenzelligem Schaumstoff oder Schwamm herausgeschnitten wird, wobei durch die Schnitte die an den Schnitt flächen nach außen offenen Poren erzeugt werden.

Das Förderelement 30 kann auch eine noch offenere Struktur als ein offenzelli ger Schaumstoff aufweisen. Damit ist folgendes gemeint. Ausgangspunkt sind die Poren offenzelligen Schaumstoffs, die jeweils durch Lamellen begrenzt sind, die an Porenstegen aufeinanderstoßen. Diese Lamellen sind nun weitgehend entfernt oder zumindest durchbrochen, so daß im wesentlichen nur noch die Po renstege übrigbleiben. Zurück bleibt also eine offenzellige dreidimensionale Ge rüststruktur, die eine sehr hohe Wasser- und Luftdurchlässigkeit hat. Dies kann mit Hilfe von Fasern und/oder Drähten erreicht werden, die mehr oder weniger gerade, gekrümmt oder schlingenförmig sind. Das Förderelement 30 kann beispielsweise aus Vliesstoff, Geflecht und/oder Gewebe hergestellt sein. Dann entsprechen sozusagen die Maschen den Poren und die Fäden den Poren stegen.

In Fig. 3 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen des Laufrads 18 darge stellt.

Fig. 3 zeigt ein Laufrad 18 in einer ersten Ausführungsform, das aus einem Förderelement 30 besteht. Das Förderelement 30 ist eine Scheibe mit kreisför migem Grundriß aus gemischtzelligem Schaumstoff, deren Höhe und Außen durchmesser jeweils geringfügig kleiner als die innere Höhe und der Innen durchmesser des Gehäuses 12 ist. Das Förderelement 30 ist direkt an der Welle 16 zentrisch zu dieser festgeklebt. Als Schaumstoff wird ein Hartschaumstoff, wie zum Beispiel aus Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polystyrol oder Formalde hyd-Harz bevorzugt da dieser sich auch bei hohen Drehzahlen weniger ver formt und sich besser mit der Welle 16 verkleben läßt als ein weicherer Schaumstoff. Die Poren sind zwischen 0,5 und 5 mm groß.

Fig. 4 und 5 zeigen ein Laufrad 18 in einer zweiten Ausführungsform, das aus einem Förderelement 30 und einer Trägerscheibe 32 besteht. Die Trägerscheibe 32 ist integral mit der Welle 16 ausgebildet und weist vier Löcher 34 (Fig. 5) zur Gewichtsreduzierung auf, die gleichmäßig um die Achse der Welle 16 und des Laufrads 18 angeordnet sind. Das Förderelement 30 ist eine zentrisch ge lochte Scheibe mit kreisringförmigem Grundriß aus Vliesstoff, deren Höhe und Außendurchmesser jeweils geringfügig kleiner als die innere Höhe und der In nendurchmesser des Gehäuses 12 ist. Das Förderelement 30 liegt auf der Trä gerscheibe 32 und ist an dieser mit Hilfe von vier Klammern 36 aus Metall be festigt, von denen jede einige Fasern des Vliesstoffs und einen der Stege 38 um schließt, die die Löcher 34 in der Trägerscheibe 32 voneinander trennen. An Stelle der Klammern 36 können auch Fäden, beispielsweise aus Nylon, verwen det werden, die zu einer Schlaufe verknotet sind. Für den Vliesstoff werden Kunstfasern aus Polypropylen, Polyester oder Polyvinylchlorid bevorzugt.

In der vorliegenden zweiten Ausführungsform besteht das Förderelement 30 aus Wirrvlies mit Fasern aus Polyvinylchlorid, die ungefähr 0,1 bis 0,5 mm dick sind. Das Wirrvlies ist kohäsiv verfestigt, indem die Fasern an den gegenseiti gen Berührungsstellen durch Hochfrequenzschweißen miteinander verbunden sind.

Fig. 6 und 7 zeigen ein Laufrad 18 in einer dritten Ausführungsform, das ein Förderelement 30 und eine Trägerscheibe 32 umfaßt die denen der zweiten Ausführungsform bis auf die nachstehend beschriebenen Unterschiede ähneln. Ausgehend von der Mitte der Trägerscheibe 32 dringt eine Gewindebohrung 40 in die Welle 16 ein, die eine Schraube 42 aufnimmt. Auf dem Förderelement 30 liegt eine Klemmscheibe 44, die wie die Trägerscheibe 32 vier Löcher 46 auf weist. Zusätzlich weist sie jedoch eine zentrische Durchgangsbohrung auf, durch die die Schraube 42 hindurchgeführt ist. Durch Anziehen der Schraube 42 wird das Förderelement 30 zwischen der Klemmscheibe 44 und der Träger scheibe 32 eingeklemmt.

In der vorliegenden dritten Ausführungsform ist das Förderelement 30 aus ei nem geflochtenen Netz mit Fasern aus Polypropylen hergestellt, die ungefähr 0,1 bis 0,5 mm dick sind und Maschen von ungefähr 5 bis 10 mm bilden. Das Netz ist adhäsiv verfestigt, indem die Fasern an den gegenseitigen Berührungs stellen mit flüssigem Bindemittel miteinander verklebt sind. Zur Herstellung des Förderelements 30 wird das Netz auf das erforderliche Maß zugeschnitten und locker zusammengerollt. Die Netzrolle wird dann zu einem Ring zusam mengelegt, indem ihre beiden Enden, beispielsweise durch Verkleben oder Ver schmelzen miteinander verbunden werden. An Stelle des Netzes oder Geflechts kann auch ein Gewebe mit entsprechender Maschenweite verwendet werden.

Claims

1. Laufrad (18) für Kreiselpumpen (10) zum Fördern von Flüssigkeit-Gas- Gemischen, gekennzeichnet durch wenigstens ein Förderelement (30) mit ei ner überwiegend offenzelligen Struktur.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderele ment (30) wenigstens teilweise aus Schaumstoff hergestellt ist.

3. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) wenigstens teilweise aus Geflecht herge stellt ist.

4. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) wenigstens teilweise aus Gewebe herge stellt ist.

5. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) wenigstens teilweise aus Vliesstoff her gestellt ist.

6. Laufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff verfestigt ist.

7. Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfesti gung mechanisch und/oder adhäsiv und/oder kohäsiv erfolgt.

8. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) wenigstens teilweise aus Metall herge stellt ist.

9. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) wenigstens teilweise aus Kunststoff, ins besondere Polyvinylchlorid hergestellt ist.

10. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Trägerscheibe (32), an der jeweils wenigstens ein Förder element (30) befestigt ist.

11. Laufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befesti gung durch Kleben und/oder Schweißen und/oder Klammern erfolgt.

12. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) einen im wesentlichen kreisförmigen Grundriß hat.

13. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Förderelement (30) einen im wesentlichen kreisringförmigen Grundriß hat.

14. Kreiselpumpe (10) zum Fördern von Flüssigkeit-Gas-Gemischen, mit ei nem einen Einlaß (20, 22) und einen Auslaß (24) aufweisenden Gehäuse (12), einem Motor (14) und einem Laufrad (18) nach einem der vorhergehenden An sprüche, das drehbar in dem Gehäuse (12) gelagert ist und von dem Motor (14) angetrieben wird.