DE2300205A1

DE2300205A1 - Vorrichtung zum in-beruehrung-bringen von gasen und fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2300205A1
Application number: DE2300205A
Authority: DE
Inventors: Tokuji Iijima; Osamu Kuroda; Kouji Otani
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-01-05
Filing date: 1973-01-03
Publication date: 1973-07-26
Also published as: FR2167758B1; IT978040B; FR2167758A1

Description

Die Erfindung betrifft eine' Vorrichtung, die dazu dient, Gase derart in innige Berührung mit einer Flüssigkeit zu bringen, daß die Gase oder von den Gasen mitgeführte Stoffe unter Erzielung eines hohen v7irkungsgraue3 von der Flüssigkeit aufgenommen werden oder mit ihr reagieren.

Zum Herstellen einer solchen Berührung ist bereits eine Rührvorrichtung vorgeschlagen worden, die mit Turbinenschaufeln ähnelnden Schaufeln oder Flügeln versehen ist und dazu dient, das unter den Schaufeln'zugeführte Gas dadurch in der Flüssigkeit zu verteilen, daß sie die Flüssigkeit mit Hilfe der umlaufenden Schaufeln umrührt. Eine solche Rührvorrichtung ist jedoch nicht nur ungeeignet, das Gas in der Flüssigkeit in einen; hinreichenden Ausmaß zu verteilen, sondern ein großer Tel:, der ihr zugeführten Antriebsenergie wird ver-

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braucht, um die Rührbewegung der Flüssigkeit hervorzurufen. Ferner bedingt die Benutzung einer Rührvorrichtung einen hohen Kostenaufwand, da der Unterbau und das Gestell der Rührvorrichtung eine ausreichende Starrheit besitzen müssen, um den auftretenden heftigen Schwingungen standzuhalten, die außerdem während des Betriebs störende Geräusche hervorrufen.

Ferner ist bereits in der Japanischen Patentschrift 9647/1967 eine Diffusionsvorrichtung beschrieben worden, die ein Gas dadurch in einer Flüssigkeit verteilt, daß bei ihr ein zylindrischer Läufer, der in einem senkrechten Längsschnitt umgekehrt U-förmig ist, gedreht wird, wobei das Gas dem Innenraum des Läufers zugeführt wird» Bei dieser bekannten Vorrichtung wird das von dem Läufer abgegebene Gas nicht in einem hinreichenden Ausmaß in der gesamten Flüssigkeitsmenge verteilt, insbesondere nicht unterhalb und direkt oberhalb des Läufers, so daß die Flüssigkeit nicht im gewünschten Ausmaß in Berührung mit dem Gas gebracht wird.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, ein Gas derart in Berührung mit einer Flüssigkeit zu bringen, daß sich das Gas in der Flüssigkeit gleichmäßig verteilt, die es ferner ermöglicht, eine solche Berührung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen mit einem geringeren Energieaufwand herbeizuführen, und die von besonders einfacher Konstruktion ist.

Zur Lösung der genannten Aufgabe ist durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Herbeiführen einer innigen Berührung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit geschaffen worden, zu der ein Behälter zum Aufnehmen der Flüssigkeit ge- ■ hört, ferner ein in diesem Behälter angeordneter Läufer zum Verteilen eines Gases in der Flüssigkeit, der als Hohlkörper ausgebildet ist und eine äußere Urafangsflache hat, deren Umfangslänge in Richtung der Drehachse des Läufers vom einen Ende des Läufers in Richtung auf sein anderes Ende zunirrmt, eine Antriebseinrichtung zum Drehen des Läufers, eine Ein--

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richtung zum Verbinden des Läufers mit der Antriebseinrichtung sowie eine Einrichtung zum Zuführen eines Gases zum Inneren des Läufers.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an ..Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt;

Fig. 1 in einem senkrechten Kittelschnitt eine Ausführungöform einer Vorrichtung zum Herstellen einer innigen Berührung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit;

Fig. 2 in einem senkrechten Mittelschnitt eine weitere Ausführungsforro einer Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit;

Fig. 3 im Längsschnitt eine Ausführungsform eines als Bestandteil der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendbaren Läufers;

Fig. 4 sowie jede der Figuren 6 bis 8 jeweils im Längsschnitt eine weitere Ausführungsforia eines Läufers für die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 den Läufer nach Fig. 4 im Grundriß;

Fig. 9 teilweise in einem senkrechten Schnitt und "teilweise in einer Seitenansicht eine weitere Ausf iihrungsform einer Vorrichtung zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit; und

Fig. 10 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Absorptionsgeschwindigkeit von Sauerstoff und der je Mengeneinheit der Flüssigkeit verbrauchten Energie, ,vie sie sich aus mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen bzw. bekannten Vorrichtungen durchgeführten Versuchen ergibt.

Bei der in Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung gehört zu der Vorrichtung ein Behälter 1 zum Aufnehmen der Flüssigkeit mit einer zylindrischen Seitenwand 11 und einem leicht konkaven Boden 12 sowie einer am

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oberen Ende des Behälters lösbar befestigten Abdeckung 13, in die eine Gasaustrittsleitung 7 mit einem Ventil 71 eingebaut ist. Auf der Abdeckung 13 ist eine Antriebseinrichtung 3 angeordnet, die am mittleren Teil der Oberseite der Abdeckung befestigt ist und eine Antriebswelle 31 aufweist, die durch eine Öffnung 14 in der Mitte der Abdeckung senkrecht nach unten ragt. Ferner ist ein läufer 2 vorhanden, bei dem die Länge-seines Umfangs vom oberen Ende in Richtung auf das untere Ende zunimmt, und der dazu dient, ein Gas is der Flüssigkeit zu verteilen; der Läufer 2 ist mit dem unteren Ende der Welle 31 an seinem oberen Ende durch Verschweißen, mittels einer Gewindeverbindung oder dergl. verbunden und im mittleren unteren Teil des Behälters 1 angeordnet, v,ic es aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der Läufer hat vorzugsweise die Form eines hohlen kreisrunden Kegels, der gemäß Fig. 3 eine Außenfläche 21 und eine Innenfläche 22 aufweist und wegen seiner einfachen Form leicht herstellbar ist. Bei diesem Läufer nimmt die Umfangslänge der Außenfläche 21 vom oberen Ende 2Ί aus in Richtung auf das untere Ende 23 gleichmäßig zu. Der Kegelwinkel θ des Läufers liegt vorzugsweise ini Bereich von 60° bis 120°. In den Boden 12 des Behälters ist eine Gaszuführungsleitung 6 mit einen Ventil 61 so eingebaut, daß ihr inneres Ende im Inneren des Läufers 2 und inabesondere im oberen Teil dieses Innenraums mündet, so das Gas innerhalb des Läufers in die Flüssigkeit eingeleitet wird. In den oberen Teil der Seitenwand 11 des Behälters ist eine Flüssigkeitszuführungsleitung 4 mit einem Ventil 41 und in den Boden 12 eine Flüssigkeitsentnahmeleitung 5 mit einem Ventil 51 eingebaut.

Zum Gebrauch der Vorrichtung' wird zuerst das Gas durch Öffnen des Ventils 61 über die Leitung 6 in den Behälter eingeleitet, und dann wird dem Behälter die Flüssigkeit bei geschlossenem Ventil 51 über das.geöffnete Ventil 41 und die Leitung 4 zugeführt. Sobald die Flüssigkeit in äem Behälter eine bestimmte Standhöhe erreicht hat, wird die Antriebseinrichtung 3 in Gang gesetzt, darrit 5er Läufer 2 durch

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Welle 31 gedreht wird. Hierbei wird die Drehzahl des Läufers so gewählt, daß seine Umfangsgeschwindigkeit am unteren Ende·23 etwa 10 bis 15 m/see beträgt. Wenn sich der Läufer dreht, wirkt gemäß Fig. 1 eine Fliehkraft A auf die Flüssigkeit an der Außenfläche 21 des Läufers, Diese Fliehkraft verteilt sich derart, daß ihre Größe vom oberen Ende 24 des Läufers aus in Richtung auf sein unteres Ende 23 annähernd linear zTinimrot, so daß die der Außenfläche 21 des Läufers benachbarte Flüssigkeit vom oberen Ende des Läufers in Richtung auf das untere Ende strömt, wie es durch den Pfeil B angedeutet ist. Der Boden 12 und die Seitenwand 11 des Behälters 1 beeinflussen die Flüssigkeit derart, daß sich Strömungen ausbilden, die in Richtung der Pfeile B, G, D und der weiteren in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile ausbilden. Das über die Leitung 6 dem Innenraum des Läufers 2 zugeführte Gas strömt längs der Innenfläche 22 des Läufers von oben aus in Richtung auf das untere Ende 23 des Läufers, Dort trifft der Gasstrom auf die in Richtung des Pfeils B strömende Flüssigkeit, so daß sich ein feinblasiger «oh?»um bildet, der sieh mit der in Richtung der Pfeile 0, D usw. strömenden Flüssigkeit vereinigt. Auf diese V/eise wird das Gas zusätzlich zu seiner Verteilung in der Flüssigkeit, die auf se-inen Auftrieb zurückzuführen ist, innerhalb des gesamten Behälters gleichmäßig verteilt und in hinreichend innige Berührung mit der Flüssigkeit gebracht. Y/enn der Kegelwinkel θ des Läufers größer ist als 120°, kann der Gasstrom am unteren Ende 23 des Läufers so unstabil werden, daß das Gas mit der Flüssigkeit keinen feinblasigen Schaum bildet; wählt man dagegen einen Kegelwinkel, der kleiner ist als 60°, genügt die durch die zunehmenden Fliehkräfte A hervorgerufene Strömung der Flüssigkeit in Richtung der Pfeile B, G, D usw. nicht immer, um das Gas in der gesamten Flüssigkeitsmenge zu verteilen.

Wenn ein Läufer 2a der in Fig. 4 gezeigten Art vorhanden ist, der etwa auf der halben Höhe der Außenfläche 21a bzw. eier Innenfläche 22a in bezuir auf die Drehachse mit nieh-

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raren öffnungen 25a versehen ist, wit es auch aus Pig. 5 hervorgeht, trifft das durch die Verteileröffnungen 25a nach außen strömende Gas an der Außenfläche 21a des Läufers auf die durch die Drehung des Läufers in Bewegung gesetzte Flüssigkeit, ao daß dort ein feinblasiger Schaum entsteht, der eich mit der strömenden Flüssigkeit vereinigt. Das Gas, das in Richtung auf das untere Ende des Läufers 2a strömt, ohne über die Verteileröffnungen 25a zu entweichen, vereinigt eich in der bezüglich des Läufers 2 nach Fig. 3 beschriebenen Weise mit der Flüssigkeit. Der Widerstand, der einer Drehbewegung des Läufers entgegengesetzt wird, ist bei dem Lau-· fer 2a geringer als bei dem Läufer 2, denn zusätzlich dazu, daß die Innenfläche 22a mit dem Gas in Berührung steht, wird die äußere Umfangsfläche bei dem Läufer '2a zwischen den Verteileröffnungen 25a und dem unteren Ende des Läufers von dem aus den Verteileröffnungen austretenden Gas bedeckt.

Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung des Läufers 2a in Form eines Läufers 2b mit mehreren Verteileröffnungen 25b1, 25b2 und 25b3f deren Durehmesser vom oberen Ende in Richtung auf das untere Ende des Läufers zunimmt. Der Läufer 2b setzt einer Drehbewegung einen noch geringeren Widerstand entgegen als der Läufer 2a. Fig. 7 zeigt eine Abwandlung des Läufers 2a, bei der die Außenfläche 21c und die Innenfläche 22c Jeweils einen Teil einer Kugelfläche bilden. In Fig. 8 ist eine weitere Abwandlung des Läufers 2a dargestellt, bei der die Innenfläche 22d und die Außenfläche 21d eine konische Form haben und an ihrem unteren Ende in Teile von Kugelflächen bildende Flächen übergehen.

Wenn es sich bei der Flüssigkeit um eine Aufschwemmung oder Trübe handelt, oder wenn der Behälter große Abmessungen hat, wird anstelle der Vorrichtung nach Fig. 1 die in Fig. dargestellte Vorrichtung benutzt, um das Gas in Berührung mit der Flüssigkeit zu bringen. Bei dieser Vorrichtung ist die Antriebseinrichtung J5 an der Unterseite des Behülterbo-" dens 12 befestigt, und daher ist die mit der Antriebseinrich-

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tung gekuppelte läuferwelle 32 mit der Innenseite des Läufers 2 an seinem oberen Ende verbunden. Ferner ist eine Rohrleitung 6 mit einem Ventil 61 zum Einleiten des Gases in den Läufer neben der Läuferwelle 32 angeordnet. Die Läuferwelle 32 ist kürzer als die Läuferwelle 31 der Vorrichtung nach Pig. 1, so daß die erforderliche Stabilität des Läufers bei der Vorrichtung nach Fig. 2 während des Betriebs auch dann gewährleistet ist, wenn der Drehbewegung des Läufers durch die hohe Viskosität der Flüssigkeit bzw. der Trübe ein großer Widerstand entgegengesetzt wird.

Wenn sich in einer Vorrichtung"nach Fig. 1 oder 2 eine ■ Trübe befindet, oder wenn aus der Flüssigkeit beim Reagieren mit dem Gas eine Trübe entsteht, ergibt sich infolge der Bewegung der Flüssigkeit im Inneren des Läufers 2 die Gefahr, daß eich feste Teilchen aus der Trübe auf der von dem Gas bedeckten Innenfläche dea Läufers ablagern. Befindet sich das in den hohlen Läufer eingeleitete Gas auf einer hohen Temperatur, wird der an -der Innenfläche haftende Teil der Trübe eingedampft, so daß die Feststoffe einen Kuchen bilden, was zur Folge hat, daß der Verbrauch an Antriebsenergie zunimmt, und daß bei einer längeren Betriebsdauer Schwingungen auftreten.

Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, die es ermöglicht, ein Gas in Berührung mit einer Flüssigkeit zu bringen, bei der das Auftreten dieser Erscheinung verhindert wird. Gemäß Pig. 9 wird ständig Flüssigkeit auf die Innenfläche des Läufers 2 geleitet, um ein Eindampfen der an der Innenfläche haftenden Trübe zu verhindern; zu diesem Zweck ist dem Läufer 2 eine Rohrleitung 8 zugeordnet, deren eines Ende in die Seitenwand 11 des Behälters 1 eingebaut ist, während ihr anderes Ende 83 in unmittelbarer Nähe der Innenfläche des Läufers mündet j in die Rohrleitung 8 ist eine Pumpe 81 zum Fördern von Flüssigkeit eingeschaltet, und es ist eine weitere Rohrleitung 9 mit einem Ventil 91 vorhanden, deren eines Ende mit der Flüsöigkeitszufünrungsleitung 4 in der otrömungsrichtung vor dem

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Ventil 41 verbunden ist, und deren anderes Ende an die Rohrleitung 8 in der Strömungsrichtung hinter dem Ventil 82 angeschlossen ist.

Um diese Einrichtung zu betätigen, wird nach dem Schließen des Ventile 91 und dem öffnen des Ventils 82 die Pumpe 81 in Betrieb gesetzt, um einen Teil der Flüssigkeit aus dem Behälter 1 durch das Ende 83 der Rohrleitung 8 in Form eines Strahls auf die Innenfläche des Läufers 2 auftreffen zu lassen. Wird nach dem Schließen des Ventils 82* das Ventil 91 ge öffnet, wird ein Teil der Flüssigkeit noch vor ihrer Reaktion mit dem Gas mit Hilfe der Rohrleitung 9 und über das Ende 83 der Rohrleitung 8 auf die Innenfläche des Läufers geleitet. Somit ist es möglich, das Entstehen eines an der Innenfläche des Läufers haftenden Kuchens aus den in der Trübe enthaltenen Feststoffen zu verhindern.

• Fig. 10 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Absorptionsgeschwindigkeit von Sauerstoff und dem Verbrauch an Antriebsenergie je Mengeneinheit der Flüssigkeit; die dargestellten V/erte wurden durch Versuche mit verschiedenen Vorrichtungen zum Herbeiführen einer Berührung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit ermittelt. Die mit Po bzw. P1 bzw. P2 bezeichneten Kurven gelten für eine Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Läufer 2a mit mehreren Öffnungen 25 bzw. für eine Rührvorrichtung bekannter Art mit Turbinenschaufeln ähnelnden Flügeln bzw. für einen zylindrischen Läufer mit einem umgekehrt U-förmigen Querschnitt; bei der verwendeten Flüssigkeit handelte es sich um eine Natriumsulfitlösung, und als Gas wurde Luft verwendet; der Behälter hatte ein Fassungsvermögen von 30 1, und dem Läufer wurde eine Luftmenge von 30 l/min zugeführt; bei dem Läufer 2a hatte die Außenfläche zwischen dem oberen und dem unteren Ende eine Länge von 150 mm, der Kegelwinkel betrug 90°, und zwischen den beiden Enden des Läufers waren 10 Öffnungen vorhanden; der zylindrische Läufer hatte eine zylindrische Seitenband mit einem' Durchmesser von 100 mm

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und einer Höhe von 150 mm und war an seinem Umfang in mittlerer Höhe mit zehn Verteileröffnungen versehen; "bei der Rührvorrichtung waren die Flügel so bemessen, daß sich eine optimale Verteilung der luft in der Flüssigkeit ergab. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß sich bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen je Einheit der aufgewandten Antriebsenergie eine höhere Absorptionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs erzielen läßt.

Ansprüche·:

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Inberührungbringen eines Gases «sit einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch einen Behälter (1) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit nit eine» Boden (12) , einen in dem Behälter angeordneten drehbaren Läufer (2; 2a; 2b; 2c; 2d) zum Verteilen von Gas in der Flüssigkeit, der hohl ausgebildet ist, der eine Außenfläche (21; 21a; 21b; 21c; 2Id) aufweist, deren Umfangslänge in Richtung der Drehachse des Läufers vom einen Ende (24) aus in Richtung auf das andere Ende (23) zunimmt, der eine Innenfläche (22; 22a; 22b; 22c; 22d) besitzt, und der so angeordnet 1st, daß dasjenige Ende,das eine größere Umfangslänge hat als das andere Ende, dem Boden des Behälters zugewandt ist, eine Einrichtung (3) zum Antreiben und Drehen dee Läufers, eine Einrichtung (31; 32) zum Kuppeln des Läufers mit der Antriebseinrichtung-sowie eine Einrichtung (6, 61) zum Zuführen von Gas zu dem Läufer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß der Läufer zwischen seinen Enden mindestens eine Öffnung (25a; 25b1 bis 25b3) aufweist, die dazu dienen, Gas von der Innenfläche zur Außenfläche des Läufers zu leiten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (2; 2a; 2b) die Form eines hohlen, geraden, kreisrunden Kegels hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter eine die Antriebseinrichtung (3) tragende, den Behälter verschlossen haltende Abdeckung (13) aufweist, und daß mit dem oberen bzw. dem unteren Teil des Behälters Rohrleitungen (4, 7, 6, 5) mit in sie eingeschalteten Ventilen (41,.71, 61, 51) verbunden sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g β k β η η zeichnet, daß die Antriebseinrichtung (3) auf der .Unterseite des Behälterbodens (12) angeordnet und der Läufer (2) an der sich von der Antriebseinrichtung aus nach oben erstreckenden Kupplungseinrichtung (32) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (8, 83, 91, 9» 91), die dazu dient, das Entstehen eines an der Innenfläche des Läufers haftenden Kuchens aus in der dem Läufer zugeführten Flüssigkeit enthaltenen Feststoffen zu verhindern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das obere Ende (2.4) des Läufers mit der auf dem oberen Teil (13) des Behälters angeordneten Antriebseinrichtung (3) durch die Kupplungseinrichtung (31) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Läufer einen Kegelwinkel von über 60° und von weniger als 120°.hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (3) mit einer mit ihr verbundenen drehbaren Welle (32) auf der Unterseite des Behälterbodens (12) und der Läufer (2) im Bereich seines oberen Endes an der vom Behälterboden aus nach oben ragenden Welle befestigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer zwischen seinen Enden mindestens eine Öffnung zum Verteilen von Gas aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß del¹ Läufer die Form einee hohlen, geraden, kreisrunden Kegels hat, dessen Kegelwinkel mehr als 60° und weniger als 120° beträgt.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer die Form eines hohlen, geraden, kreisrunden Kegels hat und mindestens eine seine Innenfläche mit seiner Außenfläche verbindende Öffnung besitzt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Läufer (2b) mehrere seine Innenfläche mit seiner Außenfläche verbindende Öffnungen (25b1 bis 25b3) aufweist, und daß sich der Durchmesser der Öffnungen vom oberen Ende in Richtung auf das untere Ende des Läufers fortschreitend vergrößert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e "k e η η z-eichnet , daß die Einrichtung zum Verhindern des Entstehens eines Kuchens so ausgebildet ist, daß es möglich ist, Flüssigkeit aus dem Behälter oder aus der den Behälter mit 'Flüssigkeit speisenden Rohrleitung in Form eines Strahls auf die Innenfläche des Läufers auftreffen zu lassen«