DE2224698A1

DE2224698A1 - Hochleistungs-Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung nach dem Saugprinzip und Verfahren zur Gasflüssigkeitsvermischung

Info

Publication number: DE2224698A1
Application number: DE19722224698
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-05-21
Filing date: 1972-05-19
Publication date: 1972-12-07
Also published as: CA998937A; GB1397751A; US3761065A

Description

r^cr-d ι w· 2224688

'■it·»

B 5612

Stanley R. RICH, 14 Dubiel Drive, Worcester, Massachusetts / USA

und

Theophanes G. ΡΑΝΤΑ ZE LOS , 7 Cedar Street Place, Somerville ,

Massachusetts / USA

Hochleistungs-Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung nach dem Saugprinzip und Verfahren zur Gasflüssigkeitsvermischung

Die Erfindung,betrifft eine Hochleistungs-Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung nach dem Saugprinzip und ein Verfahren zur Gasflüssigkeitsvermischung.

209850/1100

Es ist seit langem bekannt, daß viele Prozesse, die das Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten einschließen, beispielsweise die Verdunstungskühlung, das Gaswaschen, die Oxygenieriing, die chemische Reaktionssteigerung usw. , dadurch optimiert werden, daß die größtmögliche Flüssigkeits-Gasberührungsfläehe geschaffen wird. Aus der USA-Patentschrift

2 020 850 ist die Anwendung eines Sprühnebels in einer Gas-Flüssigkeitskontakt vorrichtung bekannt, um eine große Anzahl kleiner Tröpfchen zu schaffen, die mit dem Gas zusammenwirken. Hieraus wird die Erkenntnis deutlich, dißes wünschenswert ist, das Prinzip einer Saugvorrichtung in einer Gas-Flüssigkeitsmischvorrichtung anzuwenden.

Die außerordentlich große Einfachheit des Saugprinzips übt eine sehr starke Anziehungskraft aus, um verbesserte Verfahren zur Maximierung der Gas-Flüssigkeitsvermischung zu suchen. Bei bekannten Vorrichtungen hierzu, beispielsweise gemäß USA-Patentschriften 2 017 031, 2 191 864,

3 446 285, 2 324 605 und 1 658 533, ist jedoch eine Anzahl fundamentaler Prinzipien nicht erkannt worden, die durch die Erfindung ausgewertet werden und ohne die bei Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtungen, die mit Ansaugung arbeiten, hohe Wirkungsgrade nicht erreichbar sind.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer außerordentlich leistungsfähigen Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung und ein Verfahren zur Gas-Flüssigkeitsvermischung, bei denen das Saugprinzip angewendet wird und in einen Strom aus Flüssigkeit steile he η ein Gas in erheblich größeren Men-

gen eingeleitet werden kann, als es bisher mit den bekannten Vorrichtungen möglich war. Bei Anwendung einer erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitskontaktvor richtung wurden bis zu 4. 800 Volumenteils Gas/Volumenteile Flüssigkeit in den sich ergebenden Mischfluidstrom eingeleitet.

209850/1 100

Aufgrund, der sehr hohen Wirkungsgrade, die sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben, wurden neue Anwendungsgebiete eröffnet. So sind beispielsweise auf dem Gebiet der Verdunstungskühlung schon seit langer Zeit solche Vorrichtungen in Erprobung, die zum Erzielen der Verdunstungskühlung nach dem Saugprinzip arbeiten - doch offensichtlich ohne Erfolg. Bei den Vorrichtungen gemäß USA-Patenten

2 191 864, 2 152 251, 2 724 246 und 1 626 360 wurde versucht, Verdunstungskühlungssysteme nach dem Saugprinzip zu entwickeln. Dennoch ist kein wirtschaftlich erfolgreiches Verdunstungskülilungssystem, welches das Saugprinzip anwendet, im Handel. Der Grund hierfür liegt auf der Hand, da die bekannten Saugvorrichtungen nicht die-Leistungsfähigkeit bezüglich der Gas-Flüssigkeitsvermischung aufweisen, die erforderlich ist, damit sie mit anderen Kühlverfahren konkurrenzfähig sind. Demgegenüber wird durch die Erfindung erstmalig auf wirtschaftliche Weise ein leistungsfähiges Verdunstungskühlsystem, das das Saugprinzip anwendet, durchführbar. Wie weiter unten ausgeführt, lassen sich durch die Erfindung Wärmetauscherwirkungsgrade erreichen, die weitgehend diejenigen übersteigen, die mit gegenwärtig bekannten, handelsüblichen Vorrichtungen, wie beispielsweise bekannten Kühltürmen, erreichbar sind.

Auf dem Gebiet der Oxygenierung und Belüftung ist es als wünschenswert erkannt worden, die außerordentliche Einfachheit und die geringen Kosten von Saug vorrichtungen auszunutzen (USA-Patente 2 591 134, 3 311 239 und

3 271 204). Es ist jedoch heute keine wirtschaftlich erfolgreiche Belüftungs- oder Oxygenierungsanlage auf dem Markt, die nach dem Saugprinzip arbeitet. Auch hier ist wieder der den bekannten Vorrichtungen cip,ene Mangel, eine wirtschaftlich annehmbare Belüftungs- oder Oxygenierungsanlage nach dem Saugprinzip zu schaffen, den relativ niedrigen Wirkungsgraden zuzuschreiben, die sich bei Anwendung der bekannten

209850/110 0

Säugverfahren und -vorrichtungen ergeben.

Bekannte Belüftungsanlagen zur Belüftung von Körpern aus Wasser, Abwasserbecken usw. , die typischerweise von der Art sind, bei der entweder Luft durch den Wasserkörper geblasen oder die Flüssigkeit in die Luft geworfen wird, sind nicht nur außerordentlich unwirtschaftlich, sondern geben auch schädliche Riechstoffe, Gase sowie andere Ausdünstungen ab und können möglicherweise, wenn es sich um die Abwasserbelüftung handelt, tödliche Organismen verbreiten. Die genannten möglichen Gefahren wurden unlängst in dem Artikel "Coliform Aerosols Emitted by Sewage Treatment Plants" beschrieben, erschienen in der Zeitschrift SCIENCE vom 18. 9.1970. Hier wird dargelegt, daß die üblichen Belüftungssysteme bewirken, daß die zur Belüftung verwendete Luft Bakterien und andere Krankheitserreger enthält. So wird festgestellt, daß Koliform-Bakterien noch in einer Entfernung bis zu 1. 300 m von einer Abwasserbehandlungsanlage nachgewiesen wurden.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die ein in sich geschlossenes System aufweist und viele vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten beinhaltet, einschließlich der genannten Anwendungsgebiete bei der Belüftung oder Oxygenierung. Mit dieser AusfUhrungsform wird die Erzeugung der potentiell schädlichen und gefährlichen Ausdünstungen fast vollständig unterdrückt.

Wie weiter unten dargelegt, nimmt die erfindungsgemäße Vorrichtung hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bei der Oxygenierung eine Einzelstellung ein. Aufgrund der außerordentlich großen Gas-Flüssigkeitsberührungsfläche, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben ist,

209850/1100

führt auch die Anwendung der Erfindung bei Gas-Flüssigkeitskontaktprozessen, wie bei der Gaswaschung, der chemischen Reaktionsbeschleunigung· usw., zu ähnlich hervorragenden Ergebnissen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu beseitigen und eine wesentlich verbesserte Gas^Flüssigkeitükoütaktvorrichtung sowie ein Verfahren zur Gas-Flüssigkeitsvermischung zu schaffen, die eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen, so daß es möglich ist, wirtschaftlich konkurrenzfähige Verdunstungskühler nach dem Saugprinzip, Gaswäscher, Belüftungs- sowie Oxygenierungsanlagen u.dgl. herzustellen. Durch die Erfindung soll weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen werden, das nach dem geschlossenen System arbeitet und sich beispielsweise dadurch zur Belüftung oder Oxygenierung von Körpern aus Flüssigkeit, wie beispielsweise sauerstoff-verarmten Seen, Abwasserbecken u. dgl., eignet, daß das Austragen vou potentiell gefährlichen Gasen, Duftstoffen, giftigen Chemikalien, Organismen u. dgl. in die Luft unterbunden wird.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Oxygenierung und Verdunstungskühlung zu schaffen, die außerordentlich leistungsfähig ist, dabei jedoch einen einfachen Aufbau und eine einfache Arbeitsweise aufweist, kompakt ist und relativ geringe Kosten bei der Herstellung, Betätigung und Wartung erfordert.

Die zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehene Hochleistungs-Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung nach dem Saugprinzip ist gekennzeichnet durch eine Sprüheinrichtung, die Druckflüssigkeit aufnimmt und hiervon einen Sprühnebel mit einem divergierenden Mantel erzeugt, durch eine den Sprühnebel umgebende und koaxial hierzu an-

209850/1 100

geordnete Sprühkammer, deren Innenfläche divergierend verläuft und den Mantel des Sprühnebels weitgehend umgibt, und durch einen radialen Widerstandsanpassungs-Einlaßkanal, der das von einer Gaszufuhr zur Sprühkammer anzusaugende Gas führt und axial im Abstand voneinander angeordnete Flächen aufweist, die im Abstand zur Sprüheinrichtung koaxial um diese herum angeordnet sind und einen rii.gförmigen Durchlaß bilden, der zu einem der Sprüheinrichtung benachbarten Einlaßande der Sprühkammer führt und dessen Qucrschnittsfläch'i sich als Funktion des abnehmenden Radius verringert, wobei der Einlaßkaiial die Geschwindigkeit des sich der Sprühkammer nähernden Gases vergrößart, während dessen Druck am Einlaßende der Sprühkammer unter den der Gaszufuhr absinkt.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis und die unumschränkte Anwendung einer Reihe von grundsätzlichen Prinzipien ein, die bei nach dem Saugprinzip arbeitenden Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtungen anwendbar sind / und vorher entweder völlig unbekannt waren oder nicht vollständig in

ihrer Bedeutung erkannt wurden. Die Nutzbarmachung dieser Grundgesetze ermöglicht es, eine Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung zu schaffen, deren Wirkungsgrade diejenigen bei weitem übersteigen, die mit irgendeiner bekannten Vorrichtung erreichbar sind.

Das erste Prinzip von großer Bedeutung beinhaltet die Schaffung eines sogenannten "porösen Kolbens". Die erfindungsgemäß j nach dein Saugprinzip arbeitende Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung ist nämlich vorzugsweise mit einer Sprüheinrichtung, beispielsweise einer Pralldüse, versehen, die einen vollen Sprühnebel mit einem divergierenden (typischerweise konischen) Mantel erzeugt. Es ist weiterhin eine Sprühkammer vorgesehen, deren Innenfläche weitgehend dem Verlauf des

209850/1 100

Sprühnebelmantels angepaßt Ist. Der Öffnungswinkel der Sprühkammer entspricht weitgehend dem des Sprühnebels, wobei die Sprühkammer den EprühüoLelmantel so eng wie möglich umschließt, ohne daß sich in weitergeheridem Ausmaß etwas vom Sprühnebel- auf den Kammerwänden ablrgert. Der Erfindung liegt nämlich die Erkenntnis zugrunde, daß jeglicher Sprülinebelnledersehlag auf den Wänden der Sprühkanimer notwendigerweise dan zur Weitergabe an das eingeleitete Gas oder genauer an die Gas-Flüsslgkeltsmlschung zur Verfügung stehendem Kraftimpuls im Sprühuebel verringert. Dieses Erfordernis, daß nämlich der Sprühnebelniederschlag verhindert werden muß, ist bei bekannten Vorrichtungen, beispielsweise bei derjenigen gemäß USA-Patent 2 105 773, vollständig verkannt bzw. überhaupt nicht erkannt worden. So wird es bei der letztgenannten Vorrichtung als wünschenswert bezeichnet, daß der Sprühnebel auf die Wände der Sprühkammer aufschlägt.

Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, daß bei einer uneingeschränkten Anwendung des "Poröskolben"-Prinzips der Flüssigkeitssprühnebel ein Vollnebel sein sollte," d.h. ein Sprühnebel, der In sich eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Teilchen aufweist, was im Gegensatz zu einem "Hohl"-Sprühnebel steht, der an seinem Umfang eine größere Teilehendlchte als in seiner Mitte aufweist. Zusammenfassend läßt sich daher sagen, daß die Anwendung eines porösen Kolbens in der erfindungsgemäßen Saugvorrichtung die Erzeugung eines vorzugsweise vollen Sprühnebels beinhaltet, der von einer seiner Form angepaßten Sprühkammer umschlossen Ist, um jegliche Gasverluste zwischen dem Sprühnebel und den Wänden der Sprühkammer weitgehend zu verhindern. Das Moment bzw. der Kraftimpuls im Sprühnebel kann bis zu einer bestimmten Grenze gesteigert werden, indem der Flüssigkeitsdruck

⁵⁰¹ ¹ 209850/1100 BAD

an der Sprühnebeldüse erhöht wird, wodurch sich auch die Geschwindigkeit und die Strömungsmenge des Sprühnebels vergrößern.

Das zweite Prinzip, das ebenfalls von großer Bedeutung ist, beinhaltet die Schaffung eines neuen Gaseinlaßkanales unter Anwendung eines radial verlaufenden Kanalgebildes als Widerstandsanpassungsvorrichtung. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung einer oder vorzugsweise mehrfacher radial verlaufender Widsrstandsanpassungsstufen zur wirksamen Widerstandsanpassung des durch den porösen Kolbens erzeugten Unterdruckes an den äußeren Umgebungsdruck die Gasansaugung in der eriindungsgemäßen Vorrichtung auf sehr bedeutende Weise verbessert. In erster Linie ist es von Bedeutung, eine erste radial verlaufende Widerstandsanpassungsstufe zur Beschickung des Einlasses zur Sprühkammer vorzusehen. Außerdem ist die zusätzliche Anordnung einer zweiten Stufe von hohem Einfluß, die Gas zuführt, das an einem stromabwärts gelegenen Bereich vom Sprühnebel angenaugt wird. Wenn das zweite Einlaßgas dem Sprühnebel derart über eine kreisringförmige, axial ausgerichtete Mündung zugeführt wird, daß das Gas in der Hähe der Wände der Sprühkammer eingeleitet wird, hat Dich gezeigt, daß dor "Poröskolben"-Effekt verstärkt wird, da der Niederschlag dos Sprülinebels auf den stromabwärts gelegenen Wänden der Sprühkammer weitgehend verhindert wird.

Das dritte und ebenfalls außerordentlich bedeutungsvolle Prinzip, dns sich die erfindungsgemäße Gas-Flüssigkoitskontaktvorrichtung zu Nutze macht, liegt in der Anwendung einer Wirbeleinrichtung, die beispielsweise aus einem Patz fester Leitsehaufeln beisteht und nuf künstliche Weise in einen oder mehreren dor GaßcinlnPkfuiiüe Turbulenz einführt, um hierdurch in der Gas-Flüssigkeitsmif>ehun;>; Turbulenz zu e

ßA ORIGINAL 209850/1100

Das Ergebnis ist eine markante Steigerung der Gas-FlüssigkeitsVermischung innerhalb des vermischten Fluids mit einer sich daraus ergebenden gesteigerten Leistungsfähigkeit bei solchen Anwendungsgebieten, bei denen eine maximierte Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Gas wünschenswert ist.

Die Anwendung dieser drei Prinzipien und weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung perspektivisch teilweise im Schnitt und

Fig. 2 im Längsschnitt;

Fig. 3 perspektivisch und teilweise aufgebrochen einen Teil der

Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 4 im Dingramm die Umwandlung von potentieller in kinetischer

Energie bei der ernten Stufe des einströmenden Gases im Verhältnis zu verschiedenen Abmessungen eines radial verlaui'etiflen Widerutandsanpassungs-Einlaßkanales, der ein Teil cl-ir Vorrichtung go maß Fig. 1 bis 3 ist;

Fg. 5 im Diagramm den durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erzeugten Temperaturabfoll im Verhältnis zu verschiedenen Abmessungen einer Sprühkammer;

Ι'Ί'ίί. G querochuittlicli eine abgewandelte Ausführungsform zur Er-

zeirjun-v· von Turbulenz innerhalb der Gas-FlüscißkeitsmiiJfhiiu'i, v/()(1ii.'..!l dov Gaü--Flüssigkeitskont"kt verstärkt ivii il;

ORIÖ'fNAL

^iJfi12 209850/1100

Fig. 7 tabellarisch aufgeführte Werte für Verdunstungskühlung,

die sich aufgrund von an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Versuchen ergaben;

Fig. 8 eine geschlossene Ausführungsform für besondere Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Belüftung von sauerstoffverarmten Wasserkörpern, und

Fig. 9 querschnittlich eine Strahldüse, die anstelle der aus Fig.

und 2 ersichtlichen Staudüse als Sprüheinrichtung verwendet werden kann.

Bei der aus Fig. 1 bis 3 ersichtlichen bevorzugten Ausführungsform, die lediglich eine von vielen möglichen Ausführungsformen darstellt, weist die abgebildete, nach dem Saugprinzip arbeitende Gas-Flüßsigk.)itskontaktvoj'j.ichtung .10 eine Sprüheinrichtung auf, die in Form einer Düse 12 Cu.gebildet ist. Die Düse 12 erhält von einer Pump-3 13 üL.3r eine Zufuhrleitung 14 Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, das unter Druck steht. Die Düse 12 ist vorzugsweise von derjenigen Art, die einen vollen konischen Sprühnetel 15 erzeugt. Obwohl d-Jr Sprühwinkel β kein kritischer bzw. entscheidender Wert ist, hat es sich doch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn eine handelsübliche Staudüse mit einem Sprühwinkel von 30 verwendet wird. Auch der Sprühdruck kann erheblich schwanken, jedoch h.it ein Sprühdruck in der Gröftenordnun y von 0,14- 7, 03 kp/cni"¹ zu sehr zufriedenstellenden Ergcbniir.iiou anführt.

Um den beschriebenen "Poröskolben"-Effekt zu erzielen, ist, wie schon weiter oben erwähnt, eins Sprühkammer vorgesehen, dia don Spriilitiübsl 15 weitgehend umgibt. Wie aus der dargestellten Ausfuhiun^t-form

⁵⁶¹² 209850/1100

ersichtlich, weist eine Hauptsprühkammer 16 die Form einer sich nach außen erweiternden Trompete auf, deren Innenfläche konisch divergierend ausgebildet ist und den Sprühnebelmantel umschließt. Hierbei kann die Sprühkammer 16 aus einem geeigneten Blechstück gebildet sein. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Sprühkammer 16 einen Öffnungswinkel 2 oc aufweist, der im wesentlichen dem Sprühwinkel β des von der Düse 12 erzeugten Sprühnebels 15 entspricht. Die Sprühkammer 16 sollte ei ne solche Größe aufweisen, daß ihre Innenfläche den Sprühnebel 15 so eng wie möglich umschließt.

Wie weiter unten noch im einzelnen erläutert, ist die'axiale Länge der Hauptsprühkammer 16 von entscheidender Bedeutung; die axiale Lange soll nämlich eine solche Größe aufweisen, daß eine fast optimale Mischung von Gas und Flüssigkeit bei minimalem Verlust oder minimaler Umwandlung der kinetischen Energie der Sprühnebel-Gasmischung in potentielle Energie möglich ist. Es ist erwünscht, die Geschwindigkeit der Sprühnebel-Gasmischung durch das gesamte System hindurch auf· einen maximalem Wert zu halten, um den zur Einleitung des Gases durch die aufeinander folgenden Einlaßstufen verfügbaren Kraftimpuls zu' mäximieren. Es hat sich gezeigt, daß die optimale Länge der Sprühkammer 16 diejenige Länge ist, bei der ein Flächenverhältnis von Kammerauslaß zu Kammereinlaß von etwa 3-8 vorliegt.

Die Vorrichtung 10 bildet am Einlaß zur Sprühkammer 16 einen Unterdruck au». Es ist wünschenswert, das Gas diesem Kaum bzw. dieser fJtelle mit im wesentlichen dem gleichen Druck zuzuführen, wie er am Sprühkammereinlaß vorherrscht, d. h. es ist wünschenswert, ein Gas-

^!i(Jlii ORIGINAL

2 0 9 8 5 0/1100

einlaßkarialsystem zu schaffen, das für eine Anpassung des Druckes bzw. des Widerstandes (impedance match) im Hinblick auf den Einlaß zur Sprühkammer 16 sorgt. Gemäß der Erfindung ist daher ein radial verlaufendes Wide rstandsanpassungs-Gaseinlaßkana !system vorgesehen, das im Hinblick auf solch eine Widerstandsanpassung außerordentlich wirksam ist. Die eigentliche Widerstandsanpassung vergrößert dann das Volumen des vom Flüssigkeitssprühnebel angesaugten Gases.

Aufgrund der Bernoulli-Gleichung ist es bekannt, daß die Gesamtenergie in einem Gas proportional zum Quadrat seiner Geschwindigkeit ist, linear proportional zu seinem statischen Druck und linear proportional zur Wärmeenergie oder Enthalpie des Gases. Aus der Anwendung dieses Gesetzes ist außerdem bekannt, daß ein Gas, das durch eine verlustfreie bzw. reibungsfreie oder Energie nicht absorbierende Leitung mit sich änderndem Querschnitt strömt, folgender Beziehung folgt:

2 2

^Vl + PP₁ + H = ^2_ +pP +H (1 )

2g ¹¹Zg ^{2 2}

Hierbei bedeuten:

V , V₀ = Gasgeschwindigkeit an den Stellen 1, 2 in der Leitung

P , P = statischer Druck an den Stellen 1, 2 in der Leitung

H , H = Enthalpie an den Stellen 1, 2
ρ = Dichte des Mediums.

209850/1100

Es ist ein Merkmal der Erfindung, ein radial verlaufendes Einlaßkanalsystem vorzusehen, das sich diese Strömuugsgesetze zunutze macht, um diejenige Menge an potentieller Energie (Druck) in einem Gaszufuhrsystoin in kinetische Energie umzuwandeln, die zum Erzielen einer weitgehenden Widerstaudsanpassung an eine mit Saugwirkung arbeitende f'prühkammor erforderlich ist, so daß die Menge des in das System eingeleiteten Gases optimiert wird.

Bei der aus Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Ausführungsform weist ein Hauptgaseinlaßkanal 17 ein radial verlaufendes Widerstandsanpassungsgebilde auf, das von zwei Platten 18, 20 gebildet ist. Diese bilden axial im Abstand voneinander angeordnete Flächen, die im Abstand zur Düse 12 sov/ie koaxial um diese herum angeordnet sind, wobei sie einen ringförmigen Durchlaß bilden. Dieser führt zu einer kreisförmigen Öffnung in einer Hülse oder einem Hals 24, der mit dem Einlaß zur Hauptsprühkammer 16 verbunden ist.

Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich, ergibt sich der wirksame Einlaßquerschnitt F des Haupteinlaßkanales 17 aus TtD T , wobei D der Durchmesser der Platten 18, 20 und T₁ der Abstand zwischen diesen Platten 18, 20 ist. Der wirksame Austrittsquerschnitt F. des Kanales 17 ergibt sich aus πΟ.Τ , wobei D der wirksame Innendurchmesser des Halses 24 ist. Aus der dargestellten Ausführungsform wird deutlich, daß der Querschnitt des Kanales 17 abnimmt und die Gasgeschwindigkeit linear als Funktion des abnehmenden Radius zunimmt. Mittels der obengenannten Gleichung (1) können die zur Widerstandsanpassung an den Sprühkammereinlaßdruck erforderlichen Minimalabmessungen des Kanals 17 bestimmt werden. Es hat sich gezeigt, daß bei dem dargestellten Kanal 17 für sämtliche ins Auge gefaßten praktischen Anwendungsgebiete das Verhältnis F /F. oder das Verhältnis aus Austritts-

iii A

209850/1 100

geschwindigkeit V. zu Eintrittsgeschwindigkeit V in der Größenordnung von etv/a 1,5-10 liegen sollte. Der einzelne jeweils gewählte optimale Verhältniswert hängt unter anderem von dor Größ3 des an dem Einlaß zur CprühLammer durch die Sprüheinrichtung erzeugten Unterdruckes und von den Strömungscharakteristika ab, die für die optimale Einleitung an den späteren, d. h. nachfolgenden Gaseinlaßstufen erwünscht sind. Unter Umgebungs- bwz. Außendruck wird hier?)Oi der Gasdruck in der für die Vorrichtung verfügbaren Gaszufuhrquelle verstanden.

Aus Fig. 4 wird deutlich, woraus sich die kritische, d.h. entscheidende Größenordnung von 1, 5 - 10 für die erwähnten Verhältnisse ergibt. Die aus diesem Diagramm ersichtliche Kurve zeigt das Verhältnis von kine-

2 tischer Energie zur Gesamtenergie, das als Funktion über (D /D)

Ji Λ

oder F„/F. oder V. /V₁-, aufgetragen ist. Die Kurve zeigt, daß ein radialer Widerstandsanpassungsbereieh, bei dem die erwähnten Verhältnisse kleiner als 1,5 sind, weniger als rund 55% der verfügbaren potentiellen Energie in kinetische Energie umwandelt, was einen Betrag darstellt, der als Minimum angesehen wird. Andererseits tragen Größenverhältnisse, die größer als 10 sind, nurmehr wenig zur Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie bei, da die Umwandlung an dieser Stelle zu 99% erfolgt und sich der 100%-Grenze asymptotisch nähert. Aus dem Diagramm wird außerdem deutlich, daß Verhältnisse, die sich im Bereich des Kurvenknies zwischen etwa 2, 5 und 5 bewegen, eine kritischere Größenordnung hinsichtlich der Optimierung der Leistungsfähigkeit einer nach dem Saugprinzip arbeitenden Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung gemäß der Erfindung darstellen. Bei den bekannten Vorrichtungen sind diese Grundgesetze sowie die kritischen Optimierungsparameter, welche die radiale

mit dem Ergebnis, Widerstandsanpassung beeinflussen, völlig übersehen/ daß die bc-

5612 j "-*-

209850/1100

kannten Einlaßkanalsysteme sehr unzufriedenstellend arbeiten.

Wie weiter unten dargestellt, ließen sich bei Verwendung lediglieh einer Hauptßtufe, die den Einlaßkanal 17, die Sprühdüse 12 und die Sprühkammer 16 aufwies, sehr'hohe Ansaugmengen erreichen. Es ist jedoch möglich gewesen, sogar noch höhere Ansaugmengen durch die weitere Hinzuiugung eines zweiten Gaseinlaßkanales zu erreichen. Dieser weist ein kombiniertes radiales Widerstandsanpassungsgebilde und ein ringförmiges Axial-Venturirohr auf, daß die Widerstandsanpassung des sekundären einströmenden Gases an die Sprühnebel-Gasmischung bewirkt, und zwar am Ausgang zur Hauptsprühkammer 16.

Der zweite Gaseinlaßkanal weist eine Platte 28 auf, die mittels Abstandsbolzen 21 an der Platte 20 im Abstand hierzu befestigt ist. Die Platte 28 trägt ein Rohr 30, Ein radial verlaufender Widerstandsanpassungsbereich 36 des zweiten Gaseinlaßkanales ist in seiner Ausbildung dein Haupteinlaßkanal 17 ähnlich und kann entsprechend dem in diesem Zusammenhang oben erläuterten Prinzipien konstruiert »ein. Die Eintrittsfläche des radialen Widerstandsanpassungsbereiches ej-gibt »ich aus TiD T , wobei D der Durchmesser der Platten 20, und T dor Abstand zwischen diesen Platten 20, 28 ist. Die Austritts-Hache des radialen Wicterstandsanpassungsbereiches 36 ergibt sich aus ItD T wobei D dem Innendurchmesser des Rohres 30 entspricht. Die Eintrittsfläeho dea- Rohres 30 ist genau so groß ausgebildet wie die Austrittßfläche des radialen Bereiches 36, Zwischen der Innenfläche eines Teiles 37 des Rohres 30 und der Außenfläche der Sprühkammer IG ict auf diene Weise ein ringförmiges Axial-Venturirohr 38 gebildet, das die Eigenschaft aufweist, daß seine wirksame QuerßdinittßfläcJio mit zunehmendem axialem Abstand von der Düse 12

209 850/1100

abnimmt. Gemäß einem Merkmal der Erfindung dient die Außenfläche der konisch erweiterten Hauptsprühkammer 16 als eine das ringförmige Axial-Venturirohr 38 begrenzende Fläche. Aufgrund dieser Ausbildung ergibt sich eine einfache und wirtschaftliche Herstellung der Vorrichtung 10.

Es hat sich gezeigt, daß die gleichen allgemeinen Betrachtungen, die im Zusammenhang mit dem Haupteinlaßkanal 17 angestellt wurden, auch ,für das hier vorliegende Verhältnis von Eintrittsfläche zu Austrittsfläche oder Austrittsgeschwindigkeit zu Eintrittsgeschwindigkeit gelten. D. h. es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis aus der Fläche am Einlaß des radialen Widerstandsanpassungsbereiches 36 zur Fläche am Auslaß des ringförmigen Axial-Venturirohres 38 (d. h. an der ringförmigen Öffnung, die das Auslaßende der Sprühkammer 16 umgibt) etwa zwischen 1,5 und 10 liegen sollte.

Die Hinzufügung des zweiten Gaseinlaßkanales verbessert die Leistung der Vorrichtung 10 gegenüber derjenigen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer einzigen Stufe um etwa 20%. Die Kombination eines radialen Widerstandsanpassungsbereiches 36 mit einem ringförmigen Axial-Venturirohr 38 weist zusätzlich zu dem Umstand, daß eine fundamentale Maßnahme zur Erzielung einer Widerstandsanpassung ergriffen ist, eine Anzahl wichtiger Merkmale auf. Es hat sich nämlich gezeigt, daß durch die über eine ringförmige, axial ausgerichtete und der Innenfläche des Rohres 30 benachbarte Öffnung erfolgende Zufuhr von zusätzlichem Gas zur Gas-Flüssigkeitsmischung zwischen dem Sprühnebel und der ihn eingrenzenden Innenfläche des Rohres 30 eine Gasgrenzschicht erzeugt wird, die verhindert, daß sich der Sprühnebel an der Innenfläche des Rohres 30 niederschlägt. Wie schon oben erläutert, verringert jeder Niederschlag des Sprühnebels an den ihn be-

209850/1100

ν _ 17 - .

grenzenden Wänden den Wirkungsgrad der Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung entscheidend.

Der Teil des Rohres 30, der sich über das Auslaßende der Hauptsprühkammer 16 hinaus erstreckt, bildet das, was als zweite Sprühkammer bezeichnet werden kann. Es ist bekannt, daß der aus einer Sprühdüse austretende Sprühnebel längs einer bestimmten Strecke divergiert und dann, hauptsächlich aufgrund von Bernoulli-Kräften, die zwischen den sich bewegenden Sprühnebelteilchen wirken, dazu neigt, eine Ausbildung mit einem weitgehend zylindrischen Mantel anzunehmen. Die erfindungsgemäße zylindrische Ausbildung der zweiten Sprühkammer macht sich die Erkenntnis dsr beschriebenen Bernoulli-Kräfte zunutze. In Übereinstimmung mit dem weiter oben im einzelnen erläuterten "Poröskolben"-Prinzip sollte daher der Durchmesser der zweiten Sprühkammer 40 derart sein, daß die Kammerwände weitgehend den Mantel der Flüssigkeits-Gasmischung umschließen.

Der Durchmesser der zweiten Sprühkammer 40 muß außerdem im Zusammenhang mit dem Durchmesser der ersten Sprühkammer 16 an ihrem Ausgang betrachtet werden, da der Raum zwischen der zweiten Sprühkammer 40 an dieser Stelle und dem Auslaß der ersten Sprühkammer 16 den Austrittsquerschnitt des zweiten Gaseinlaßkanales 36 bildet.

Die Länge der zweiten Sprühkammer 40 sollte von ausreichender Größe sein, um den Sprühnebel bis zu einer Stelle zu begrenzen, an der der zur Verfügung stehende Kraftimpuls vollständig in Anspruch genommen bzw. aufgebraucht worden ist. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 haben sich sehr zufriedenstellende Ergebnisse gezeigt, wenn die Länge

209850/1100

der zweiten Sprühkammer 40 etwa das Vier- bis Fünffache ihres Durchmessers beträgt.

Wie schon erwähnt, ist auch die Länge der divergierenden Hauptsprühkammer 16 von großer Bedeutung. Wenn die trompetenförmige Sprühkammer 16 zu kurz ist, wird der durch den Sprühnebel innerhalb der Kammer 16 erzeugte ⁿPoröskolben"-Effekt nicht voll ausgenutzt. Wenn jedoch die Kammer 16 langer als notwendig ist, so verringert der Venturi-Effekt, der'die Umwandlung der kinetischen Energie der Gas-Flüssigkeitsmischung in der Kammer 16 in potentielle Energie bewirkt, unnötigerweise die Geschwindigkeit der Mischung am Ausgang der Kammer 16.

Das aus Fig. 5 ersichtliche Diagramm zeigt die mit der erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung erzielte Verdunstungskühlung, wobei der Temperaturabfall über dem Verhältnis F./F^, d.h. demVerhältnis

A ti

aus Austrittsfläche am Ende der Sprühkammer 16 zu deren Eintrittsfläche, aufgetragen ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß sich der aus dem Vergrößern der Länge der Kammer ergebende Effekt bis zu Verhältnissen in der Größenordnung von etwa 5-8 sehr bedeutsam ist, wobei die Kurve jenseits dieser Werte abgeflacht verläuft; hier ist eine Verbesserung bezüglich der Ergebnisse vernachlässigbar. Es hat sich herausgestellt, daß die entscheidende bzw. kritische Größenordnung des Verhältnisses F /Fg etwa zwischen 3 und 8 liegt. Wenn die Länge der trompetenförmigen Kammer so ausgewählt wird, daß das Verhältnis F. zu F

A hj

in diesem kritischen Bereich liegt, dann wird das Einleiten des Gases optimiert, ohne daß die Austrittsgeschwindigkeit der aus der Sprühkammer 16 austretendenGas-Flüssigkeitsmischung unnötigerweise verkleinert und daher auch die Energie verringert wird, die zum Einleiten von zusätzlichem Gas in den darauffolgenden Stufen zur Verfügung steht. Das

209850/1100

Ausmaß, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielten Kühlung ist hierbei nicht zu übersehen, wird jedoch weiter unten noch näher erläutert.

Wie einleitend schon kurz erwähnt, ist es ein weiteres Merkmal der Erfindung, in dem Gaseinlaßkanalsystem eine Wirbeleinrichtung vorzusehen, um in dem Gasstrom der Gas-Flüssigkeitsmischung Turbulenz zu erzeugen und hierdurch die Gas-Flüssigkeitsmischung in der Vorrichtung zu vergrößern. Aus Fig. 1 ist lediglich eine der vielen möglichen Ausführungsformen dieses der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens ersichtlich, wobei ein Satz Leitschaufeln 42, 44, 46 und 48 vorgesehen ist. Der Zweck der Wirbeleinrichtung liegt darin, in den Gasstrom durch das Kanalsystem eine Komponente einer winkeligen Bewegung einzuführen, um in der Sprühnebel-Gasmischung eine Wirbel- bzw. Turbulenzwirkung zu erzeugen und hierdurch die gegenseitige Wechselwirkung zwischen den Flüssigkeitsteilchen und dem angesaugten Gas zu maximieren.

Die ortsfesten Leitschaufeln 42, 44, 46 und 48 können eine große Vielzahl von möglichen Ausbildungsformen aufweisen, sofern mit ihnen nur die gewünschte Turbulenz erzielbar ist. In der dargestellten Ausführungsform sind sie als ebene Platten ausgebildet, die an der Außenfläche des Halses 24 befestigt sind und sich in einem Winkel von 45 zur Achse des Halses 24 in den zweiten Gaseinlaßkanal 36 erstrecken. Bei einer tatsächlich ausgeführten und mit zufriedenstellenden Ergebnissen untersuchten Ausführungsform hatten die Leitschaufeln eine Länge von 5, 72 cm.

Die aus Fig. 6 ersichtliche, abgewandelte Ausführungsform der Wirbeleinrichlung weist einen Satz fester spiralförmiger Leitschaufeln 50, 51,

209850/1100

52, 53 auf, die sich in einem dem Kanal 17 ähnlichen Einlaßkanal 17' befinden. Diese Leitschaufeln erteilen genau wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dem Gas, das durch den Einlaßkan-il 17' in die Sprühkam'mer einströmt, eine Winkelbewegungskomponeato. Statt dessen kann auch ein ähnlicher Satz stationärer, spiralförmig cdor anders ausgebildeter Leitschaufel in dem radial verlaufenden Wider.'3tandoanpa3-sungcbereich 3G, der ein Teil des zweiten Gaseinlaßkainiles ist, angeordnet sein. Schließlich kann auch in jeder Gaseinlaßjtufe eine Wirbeleinrichtung angeordnet werden, die dein Gas einen ähnlichen oder entgegengesetzt gerichteten Drehimpuls erteilt.

Die erfindungsgemäß konstruierte Vorrichtung eignet sich für sehr viele Anwendungsgebiete; die bedeutendsten hiervon scheinen zur Zeit die Verdunstungskühlung, Oxygenierucig und Belüftung, Gaswaschung, Kraftstoff~ verbrennung und die chemische Eeaktionsbesclileuniguu^· zu sein. Bei Versuchen, die bei einer gemäß Fig. 1 konstruierten Vorrichtung durchgeführt wurden, ließen sich hinsichtlich der Lufteinleitung Werte erreichen, die in der Größenordnung von 4. 800 Volumenteile an eingeleitetem Gas/Volumenteil eingegebener Flüssigkeit lagen. Diese Mengen übersteigen die durch die bekannten Vorrichtungen erzielbaren bei weitem.

Aufgrund von Versuchen an einer Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung gemäß der Erfindung über die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Verdunstungskühlung und über die Fähigkeit, eine Flüssigkeit mit einem Gas zu versetzen, d. h. beispielsweise zu oxygenieren, wurden genaue Messungen über den Wirkungsgrad dieser Vorrichtung erzielt. Die aus Fig. 7 ersichtliche Tabelle zeigt die Werte, die während der an der Vorrichtung gemäß Fig. 1 durchgeführten Versuche zur JT-¹Ssung der Leistungsfähigkeit, hinsichtlich der Verdunstungskühlung aufgenommen wurden. Die Werte in Reihe 1 betreffen lediglich die Pvimärstufe der

⁵⁽³¹² . BAD ORISiNAL

209850/1100

οι .

Vorrichtung, die in diesem Fall eine Hauptsprühkammer 16 und einen Einlaßkanal 17 aufwies. Diese Werte schneiden bei einem Vergleich mit der Verdunstungskühlungsleistung jeder bekannten Vorrichtung sehr günstig ab. Bei der zusätzlichen Anordnung einer zweiten Stufe (siehe die Werte in Reihe 2 bis 5) werden Verdunstungskühlungswerte erzielt, welche die mit den bekannten Vorrichtungen erzielbaren bei weitem übersteigen. So ließ sich beispielsweise bei einem Hochtemperatur versuch, wie aus Reihe 5 ersichtlich, bei dem in die Vorrichtung Wasser mit einer Temperatur von 75° C eingeleitet wurde, eine Kühlung von 30, 0° C erreichen. Um diese Werte direkt mit Leistungswerten bekannter Kühler vergleichen zu können, sei auf Marks' Mechanical Engineering Handbook, 5. Auf lage, Seite 1185 verwiesen, wonach sich ergibt, daß der unter vergleichbaren Bedingungen mit der erfindungs gemäßen Vorrichtung erzielte Temperaturabfall fast zweimal so hoch ist wie die mit den bekannten Vorrichtungen erzielbare Kühlung.

Die Hinzugabe der Wirbelvorrichtung (siehe die Werte in Reihe 6 bis 13 gemäß Fig. 7) steigert die Leistung der Vorrichtung um zusätzlich 20-30 %. Der Hochtemperaturtest (Reihe 6) zeigt, daß eine Kühlung mit einem Temperaturabfall von 38, 0° C erzielt wurde. Diese Leistung ist über zweimal höher als die der bekannten Verdunstungskühler, wie sich aus dem obengenannten Handbuch ergibt. Die Werte in Reihe 8 verdienen besondere Aufmerksamkeit. Hier ergab sich nämlich ein Temperaturabfall von 10,3 C, wobei die Ausströmtemperatur lediglich um 4° C über der Naßwärmetemperatur von 22, 2° C lag. Schließlich wird aus den Werten in Reihe 13 deutlich, daß sich eine Kühlung um 2, 5° C ergab, bei der die Ausströmtemperatur lediglich um 0, 3° C über der Naßwärmetemperatur lag.

56i2"z/G

209850/1100

Aus den Werten der Tabelle gemäß Fig. 7 ergibt sich daher die außerordentlich hohe Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen.

Ein weiteres Maß für den Wirkungsgrad einer Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung ist ihre Fähigkeit, Gas in der Flüssigkeit aufzunehmen. Bei Versuchen an der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 wurde stehendes Wasser, das zwischen 0-lppm Sauerstoff aufwies, weitgehend bis zur Sättigung oxygeniert, d.h. 8, 5-8, 8 ppm für Gas-und Wassertemperaturen im untersuchten Bereich von 22,2-23, 9°C (72-75°F). Dsr Sauerstoffgehalt wurde mittels eines "abgewandelten Winkler-Tests" gemessen. Diese Versuchsergebnisse sind deswegen von großer Bedeutung, da sie die äußerst große Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Gas-Flüssigkeitsvermischung bei der erfindungsgemäßan Vorrichtung verdeutlichen.

Die Vorrichtung, mit der die obenerwähnten Versuchsergebnisse erzielt wurden, war in der aus Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Weise ausgebildet und hatte folgende Abmessungen:

D₁-, = 61,0 cm; D = 10,16 cm; D = 30,48 cm; T₁ = 2,54 cm; hi A Kl 1

T₀ = 6,98 cm; β = 30°; 2α= 30°; L = 132 cm und 1, - 20,32 cm,

wobei L„ die Länge des Rohres 10 und L die Länge des Halses 24 R II

bedeuten.

Die in Fig. 8 schematisch dargestellte abgewandelte Ausführungsfarm der Erfindung stellt ein geschlossenes System dar und weist ebenfalls ein weites Anwendungsgebiet auf, einschließlich der chemischen Reaktionsbeschleunigung und der Belüftung oder Oxygenierung von sauerstoff-

209850/1100

verarmten Wasserkörpern, Abwasserbecken u. dgl. Die Ausführungsform weist eine nach dem Saugprinzip arbeitende Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung 54 auf, die abgedichtet innerhalb-eines Gehäuses angeordnet ist. Eine Flüssigkeitspumpe 58 zieht einen kontinuierlichen Strom an sauerstoff-verarmtem Wasser aus einem Körper 60 von sauerstoff-verarmter Flüssigkeit. Die Pumpe 58 drückt den Flüssigkeitsstrom nach oben und fördert ihn durch eine Leitung 62 zu einer Sprühdüse 64, die ein Teil der Vorrichtung 54 ist. Gemäß der Wirkungsweise der oben beschriebenen und nach dem Saugprinzip arbeitenden Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung ergibt sich innerhalb der Sprühflüssigkeitskammern ein Unterdruckbereich, der bewirkt, daß durch den ersten und zweiten Gaseinlaßkanal 66, 68 Luft in die Vorrichtung eingesaugt wird.

Die von der Vorrichtung 54 ausgestoßenen und mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeitströpfchen werden in einem Sammelbecken 72 am .Boden des Gehäuses 56 aufgefangen und dem Flüssigkeitskörper 60 wieder über eine Rückflußleitung 74 zugeführt, die unter der Oberfläche des Körpers 60 mündet.

Ein Teil der in die Gasfltissigkeitskontaktvorrichtung 54 durch die Einlaßkanäle 66, 68 eingeleiteten Luft wird im Sprühnebel 73, der durch die Düse 64 erzeugt wird, aufgelöst. Im Gehäuse 56 ist eine Öffnung vorgesehen, damit in das Gehäuse 56 diejenige Luft eintreten kann, die für das Volumen an von der Flüssigkeit gelöster und mitgenommener Luft erforderlich ist. Die nicht aufgelöste Luft wird zu den Einlassen der Kanäle 66, 68 zurückgeführt. Hieraus ergibt sich, daß die geschlossene Ausführungsform gemäß Fig. 8 ein Unterdrucksystem ist, das Atmosphärenluft (oder allgemeiner Gas aus der Umgebung, d. h.

Π Gl 2

209850/110 0

das zu deii Gaseinlässen gelieferte Gas) ansaugt und keine Gase, Bakterien oder anderes in die Atmosphäre abgibt. Durch die Vorrichtung gemäß Fig. 8 wird der sauerstoffarme Körper 60 oxygeniert, und es werden oxydierbare Bestandteile oxydiert, ohne daß im Körper 60 vorhandene Gase und Organismen in die Atmosphäre abgegeben werden. Dieses System eignet sich daher unter anderem zur Belüftung von Abwasserbecken, stehenden Gewässern bzw. Seen u. dgl., ohne daß die gefährlichen und lästigen Ausdünstungen erzeugt werden, wie dies bei den heute gebräuchlichen Verfahren, wie der mechanischen Oberflächenbelüftung oder der Belüftung mit diffundierter Luft, der Fall ist.

Bei Versuchen, die unter Verwendung eines abgedichteten Systems gemäß Fig. 8 durchgeführt wurden, wurde aus einem stehenden, d. h. ruhenden See bei Boston, Massachusetts, Wasser aus einer Tiefe von 6, 70 m hochgefördert, belüftet und in den See zurückgeleitet. Unter Verwendung des Winkler-Ve rf ahrens zur Sauerstoffmessung hat sich gezeigt, daß das Eintrittswasser keinen nachweisbaren Sauerstoff enthielt. Die nach dem gleichen Verfahren erfolgende Messung des sauerstoff-angereicherten Austrittswassers, das das System gemäß Fig. 8 lediglich einmal durchlaufen hatte, ergab, daß es weitgehend mit Sauerstoff gesättigt war. Hierbei beträgt die Durchlaufzeit durch das System weniger als 1/2 Sekunde. Während weiterhin die Eintrittsflüssigkeit 2ppm schädlichen Schwefelwasserstoff enthielt, ließ sich in der Austrittsflüssigkeit keinerlei Schwefelwasserstoff nachweisen. Es werden daher zusätzlich zur Oxygenierung der Flüssigkeit Fäulnisgerüche und möglicherweise schädliche Schwefelwasserstoffbestandteile neutralisiert. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem beschriebenen Anwendungsgebiet liegt darin, daß das Wasser bei der Belüftung gekühlt wird.

209850/ 1 100

Das beschriebene abgedichtete System läßt sich auch anderweitig verwenden, wie beispielsweise bei der Hydrierung von pflanzlichen Ölen und der Behandlung von Flüssigkeiten sowie Flüssigkeitsabfällen mit reinem Sauerstoff, Ozon, Chlor oder anderen geeigneten Gasen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungtjformen beschränkt. Anstatt, zwei Gaseinlaßkanalstufen können beispielsweise mehrere Stufen vorgesehen sein. Weiterhin können anstelle der beschriebenen Wirbeleinrichtung verschiedene andere Einrichtungen vorgesehen werden, welche die Gas-Flüssigkeitsmischung bei den Anwendungsfällen, bei denen eine optimale Gas-Flüss'igkeitsvermischung erwünscht ist, turbulent machen.

Anstelle der beschriebenen Staudüse 12 (impact nozzle) kann die Sprühdüse bei bestimmten Anwendungsfällen, wie beispielsweise Abwasserbelüftung, bei der die versprühte Flüssigkeit Feststoffe enthalten kann, eine Eduktor-, d. h. Strahldüse sein, die beispielsweise von der in Fig. 9 dargestellten Art ist und als Eductor No. 3371 von der Hypro Corporation hergestellt wird.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die radialen Widerstandsanpass ungsbereiche in beiden Einlaßkanalstufen, die in der dargestellten Ausführungsform parallele flache Platten sind, parallel verlaufen. Das Haupterfordernis bei den radialen Widerstandsanpassungsgebilden gemäß der Erfindung liegt darin, daß die wirksame Querschnittsfläche sich als Funktion des abnehmenden Radius verringert, was jedoch nicht notwendigerweise linear erfolgen muß»

Wie schon oben dargelegt, eignet sich die erflndungegemäße Vor-

209850/1100

richtung auch als Kraftstoffverbrennungsanlage, bei der die versprühte Flüssigkeit der zu verbrennende Kraftstoff und das eingeleitete Gas die Luft oder ein anderes gasförmiges Reaktionsmittel ist.

209850/1100

Claims

Patentansprüche

1.) Hochleistungs-Gas-Flüssigkeitskontaktvorrichtung nach dem Saugprinzip, gekennzeichnet durch eine Sprüheinrichtung (12), die Druckflüssigkeit aufnimmt und hiervon einen Sprühnebel (15) mit einem divergierenden Mantel erzeugt,

durch eine den Sprühnebel umgebende und koaxial hierzu angeordnete Sprühkammer (16), deren Innenfläche divergierend verläuft und den Mantel des Sprühnebels umschließt,

und durch einen radial verlaufenden Widerstandanpassungs-Einlaßkanal (17), der das von einer Gaszufuhr zur Sprühkammer anzusaugende Gas führt und in axialer Richtung voneinander entfernte Flächen (18, 20) aufweist, die im Abstand zur Sprüheinrichtung koaxial um diese herum angeordnet sind und einen ringförmigen Durchlaß bilden, der zu einem der Sprüheinrichtung benachbarten Einlaßende (22) der Sprühkammer führt und dessen Querschnittsfläche sich als Funktion des abnehmenden Radius verringert, wobei der Einlaßkanal die Geschwindigkeit des sich der Sprühkammer nähernden Gases vergrößert, während dessen Druck am Einlaßende der Sprühkammer unter den der Gaszufuhr absinkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (F .) der Sprühkammer (16) um etwa drei- bis achtmal größer ist als ihr Eintrittsquerschnitt (F^).

SE

^S'ⁱ¹² 209850/1100

3. Vorrichtung nach Anspruch!, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis F /F. aus Eintrittsquerschnitt (F ) zu Austrittsquerschnitt (F.) des Einlaßkanals (17) zwischen 1,5 und 10 liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine im Gasstrom angeordnete Wirbeleinrichtung, die im Gas Turbulenz erzeugt und die Gas-Flüssigkeitsmischung steigert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zweite Kammer (30), die in radialem Abstand koaxial zur Sprühkammer (16) angeordnet ist und sich in Bezug auf diese stromabwärts erstreckt, wobei sie jenseits des Auslaßendes der Sprühkammer ein zweites Auslaßende bildet und an dem der Sprühkammer benachbarten Ende einen Gaseinlaß aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch'5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß der zweiten Kammer (30) eine Wirbeleinrichtung (42, 44, 46, 48) aufweist, die in dem der zweiten Kammer zugeführten Gas Turbulenz erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß der zweiten Kammer (30) einen radial verlaufenden Widerstandsanpassungs-Einlaßkanal (36) mit in axialer Richtung voneinander entfernten Flächen (20, 28) aufweist, die koaxial um die Sprüheinrichtung (12) herum angeordnet sind und einen zweiten ringförmigen Durchlaß bilden, der an einer stromabwärts vom Auslnßsnde der Sprühkammer (16) gelegenen Stelle mit dem Sprühnebel (15) in Verbindung steht.

209850/1100

8. Vorrichtung mch einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie abgedichtet innerhalb eines geschlossenen Gehäuses (56) angeordnet ist und eine Einrichtung (58, 62) zur Zufuhr von Flüssigkeit durch das Gehäuse hindurch zur Sprüheinrichtung (64), eine Einrichtung (72, 74) zum Ablassen der Flüssigkeit aus dem Gehäuse und eine Einrichtung (76) zum Ergänzen des von der abgelassenen Flüssigkeit mitgenommenen Gases aufweist.

9. Hochleistungsverfahren zum Vermischen von Gas mit Flüssigkeit durch Ansaugung mittels der Vorrichtung nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Flüssigkeit unter Druck gesetzt und hiervon ein Sprühnobel (15) mit einem divergierenden Mantel erzeugt wird,

daß der Sprühnebel von einer Fläche (16) begrenzt wird, die eine divergierende Ausbildung aufweist und den Sprühnebelmantel umgibt,"

daß durch einen ersten Widerstandsanpassungskanal (17) ein Gas zum Anfang des Sprühnebels geleitet und von diesem angesaugt wird,

daß durch einen zweiten Widerstandsanpassungskanal (36), der mit dem Sprühnebel über eine ringförmige, axial ausgerichtete Öffnung in Verbindung steht, ein zusätzliches Gas zu einem stromabwärts vom Sprühnebelanfang gelegenen Sprühnebelbereich ' geleitet wird und

daß zur Maximierung der Gas-Flüssigkeltsvermlschung im Gasstrom des ersten und/oder zweiten Einlaßkanales und damit auch in der sich ergebenden Gas-Flüssigkeitsmischung Turbulenz erzeugt wird.

209850/1100

ι *° ·♦ Leerseite