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Vorrichtung zum Fördern und Begasen eines von einer Flüssigkeit oder
einem Flüssigkeitsgasgemisch gebildeten Mediums.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fördern und Begasen
eines von einer Flüssigkeit oder einem Flüssigkeitsgasgemisch gebildeten Mediums
mit einem das Medium fördernden Laufrad und einem diesem in Förderrichtung nachgeschalteten,
von dem geförderten Medium durchströmten feststehenden Diffusor, der das Laufrad
ringförmig umgibt, dessen Austrittsseite über seinen gesamten äußeren Umfang offen
ist und dessen Durchströmquerschnitt an der Austrittsseite größer ist als an der
Eintrittsseite, wobei im Bereich der Austrittsstelle aus dem Laufrad eine Gaszuführung
mündet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Begasung einer
in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit aus dem Behälter
angesaugt, im Kreislauf über eine Begasungsstelle geführt und in den Behälter zurückgefördert
wird. Bei einer solchen Vorrichtung zur feinsten Begasung einer in einem Reaktionsbehälter
befindlichen Flüssigkeit wird die zu begasende Flüssigkeit mittels eines umlaufenden
Laufrades, welches die zu begasende Flüssigkeit ansaugt und ausschleudert, im Kreislauf
über die Begasungsstelle geführt. Hiebei befindet sich im allgemeinen das Laufrad,
das
sowohl einflutig als auch zweiflutig ausgeführt sein kann, innerhalb der zu begasenden
Flüssigkeit unterhalb der freien Oberfläche derselben. Das Laufrad, das mittels
einer Kraftmaschine in Umdrehung versetzt wird, saugt Flüssigkeit an und beschleunigt
dieselbe. Der so durch das Laufrad an potentieller Energie erniedrigten und an kinetischer
Energie erhöhten Flüssigkeit wird durch einen Kanal Gas, dessen Druck geringer sein
kann als der statische Druck der über dem Laufrad befindlichen Flüssigkeit,zugeführt.
Da das Laufrad unterhalb der Oberfläche der zu begas enden Flüssigkeit angeordnet
ist, muß der statische Druck an der Austrittsstelle überwunden werden und es ist
aus diesem Grund an die Austrittsseite des Laufrades der Diffusor angeschlossen,
dessen Durchströmquerschnitt sich bei den bekannten Anordnungen stetig erweitert,
wodurch die Geschwindigkeit wieder in Druck umgesetzt wird. Die Durchmischung der
Gasblasen ist im allgemeinen vor dem Eintritt in den Diffusor ungenügend, so daß
neben feinen auch grobe Gasblasen dem Diffusor zugeführt werden. Es ist eine bekannte
Tatsache, daß Gasblasen entgegen dem Druckgradienten steigen und dies bis zu einem
gewissen Durchmesser, um so rascher, je größer ihr Durchmesser ist. Die Folge hievon
ist, daß die gröberen dem Diffusor zugeführten Gasblasen dem Druckanstieg nicht
folgen können, ihre Fortbewegungsrichtung umkehren und in die Mischkammer zurückströmen.
Die hiedurch entstehende Umkehrströmung verschlechtert den Wirkungsgrad der Anlage
in solchem Maße, daß der erforderliche Energieaufwand sehr groß wird.
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Die Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu vermeiden und besteht
im wesentlichen darin ~daß der Durchströmquerschnitt des Diffusors wenigstens eine
stufenartige Erweiterung aufweist. Auf diese Weise werden im Diffusor Wirbel erzeugt,
welche im Sinne einer Verbesserung der Durchmischung der Gasblasen mit dem strömenden
Medium wirken.
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Durch solche Wirbel werden die groben Gasblasen zerteilt und da die
Steiggeschwindigkeit feiner Gasblasen geringer
ist als die Steiggeschwindigkeit
grober Gasblasen, werden die Gasblasen durch das strömende Medium leichter mitgenommen
und es wird einem Rückströmen derselben zur Mischkammer entgegengewirkt. Während
man bisher bestrebt war, in einem Diffusor eine möglichst gleichförmige Strömung
zu erzielen, beruht nun die Erfindung auf der Erkenntnis, daß durch unstetige Erweiterung
des Durchströmquerschnittes und damit verbundene Wirbelbildung bei begasten Flüssigkeiten
der Fördereffekt verbessert werden kann. Hiebei liegt der Effekt der Erfindung nicht
nur darin, daß die Förderung der Gasblasen im strömenden Medium erleichtert und
verbessert wird, sondern auch darin, daß die aus dem Diffusor in den Bottich austretenden
Gasblasen kleiner werden und feiner verteilt vorliegen, so daß sie in der begasten
Flüssigkeit länger zurückgehalten werden und langsam aufsteigen, wodurch der Belüftungseffekt
weitgehend verbessert wird.
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Gemäß der Erfindung ist die Anordnung zweckmäßig so getroffen, daß
die die stufenförmige Querschnittserweiterung oder die stufenförmigen Querschnittserweiterungen
bildende Stufe durch eine ungefähr senkrecht zur Hauptströmungsrichtung stehende
Fläche gebildet ist. Auf diese Weise werden scharfe Stufen gebildet und der Effekt
dieser Stufen besonders wirksam gemacht.
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In einem durch die Stufe oder Stufen getrennten Abschnitt kann der
Durchströmquerschnitt sich auch stetig erweitern, jedoch hat dies den Nachteil,
daß bei einem gewählten Verhältnis des Durchströmquerschnittes an der Austrittsseite
zum Durchströmquerschnitt an der Eintrittsseite des Diffusors die für die Stufen
zur Verfügung stehenden Querschnittsveränderungen geringer und daher weniger wirksam
sind. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung daher vorzugsweise so getroffen, daß
in einem durch die Stufe oder Stufen getrennten Abschnitt der Durchströmquerschnitt
gleichbleibend ist. Es kann aber gemäß der Erfindung
sogar die Anordnung
so getroffen sein, daß in einem durch die Stufe oder Stufen getrennten Abschnitt
der Durchströmquerschnitt in der Strömungsrichtung abnimmt, in welchem Falle die
in den Stufen zur Verfügung stehende Querschnittserweiterung vergrößert wird. In
allen Fällen jedoch werden die Durchströmquerschnitte von Abschnitt zu Abschnitt
größer.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Diffusor
als das Laufrad umgebender Ringraum ausgebildet, dessen Begrenzungsflächen von Ringscheiben
gebildet sind, welche wenigstens eine nach einem mit der Rotationsachse des Laufrades
konzentrischen Kreis verlaufende Stufe aufweisen, wobei die Stufen beider Ringscheiben
auf dem -# - ---gleichen
Radius liegen. Um hier den Effekt zu erreichen,
titlß in jedem durch die Stufe oder Stufen getrennten Abschnitt der Durchströmquerschnitt
gleichbleibend ist, soll die ße-Bedingung # . R1 . b1= # . R2 . b2 das ist also
R1 .b1 = R2 ~ b2 erfüllt sein. Hiebei bedeuten R1 und R2 zwei verschiedene Radien
des ringförmigen Diffusorraumes und b1 und b2 die jeweiligen Höhen des Diffusorraumes
an den Stellen dieser Itadi en. Die oben angeführte Gleichung gilt für eine gleichseitige
Hyperbel und es ist daher zweckmäßig gemäß der Erfindung bei einem ringförmigen
Diffusor die Anordnung so getroffen, daß die durch die Stufe oder Stufen getrennten
Abschnitte der Ringscheiben im Axialschnitt die Form von Ästen einer gleichseitigen
Hyperbel aufweisen, deren eine AsymIabte mit der Rotationsachse des Laufrades zusammenfällt.
Bei einem solchen ringförmigen Diffusor sind zweckmäßig die in den Ringscheiben
gebildeten Stufen ungefähr durch Flächen eines mit der Rotationsachse des Laufrades
gleichachsigen Kreis zylinders begrenzt, so daß wieder senkrecht zur Haup ts trömungsrichtung
liegende Stllfenflächen entstehen, die die Wirkung dieser Stufen begtinstigen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem das
Laufrad umgebenden Ringraum des Diffusors Leitschaufeln angeordnet, die mit dem
Richtungsvektor der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades spitze Winkel einschließen
und entweder geradlinig oder nach einer logarithmischen Spirale verlaufen. Diese
Leitschaufeln können gemäß der Erfindung in iii rem an das Laufrad angrenzenden
Bereich an der oder den Stellen der Gaszuführung Ausschnitte aufweisen, wodurch
die freie Ausbildung einer Gasvakuole und damit eine Verbesserung der Begasung des
strömenden Mediums ermöglicht wird.
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In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
schematisch erläutert.
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Fig. i und 2 zeigen eine Vorrichtung mit zweiflutigem Laufrad und
Diffusor, wobei Fig. 1 einen Axialschnitt nach Linie I - I der Fig. 2 und Fig, 2
einen Querschnitt nach Linie - II der Fig. 1 darstellt. Fig. 3 und 4 zeigen eine
Vorrichtung mit einflutigem Laufrad und Diffusor, wobei wieder Fig. 3 einen Axialschnitt
nach Linie III - III der Fig. 4 und Fig. 4 einen Querschnitt nach Linie IV - IV
- IV der Fig. 3 darstellt. Fig. 5 und 6 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform
mit zweiflutigem Laufrad und mehrflutigem Diffusor, wobei Fig. 5 einen Axialschnitt
nach Linie V - V der Fig. 6 und Fig. 6 einen Querschnitt nach Linie VI - VI der
Fig. 5 darstellt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 stellt l die Antriebswelle
eines zweiflutigen Laufrades dar. Die Schaufeln des Laufrades 2 sind mit 3 bezeichnet.
Das Laufrad kann beispielsweise in einem Bottich angeordnet sein, wobei die Welle
durch den Boden des Bottichs hindurchgeführt ist. 4 und 5 sind die Saugöffnungen.
Das aus dem Bottich angesaugte Flüssigkeitsgasgemisch tritt bei 6 aus dem Laufrad
aus und gelangt in einen feststehenden Diffusor 7.
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8 ist der Saugkasten des Diffusors, in welchen Luftansaugleitungen
9 und 10 münden. Die Luftansaugleitung 10 kann beispielsweise auch durch den Boden
des Bottichs hindurchgeführt sein oder es können beide Luftansaugleitungen 9 und
10 durch eine Ringleitung miteinander in Verbindung stehen.
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Durch eine Didltung ll ist das Laufrad 2 gegenüber dem Diffusor 7
abgedichtet.
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Der Diffusor 7 ist ein Rotationshohlkörper, dessen Achse mit der
Rotationsachse des Laufrades 2 zusammenfällt.
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Dieser Rotationshohlkörper ist durch zwei Ringseheiben 12 und 13 begrenzt.
Im Diffusor ist eine Stufe 14 vorgesehen.
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Diese Stufe wird durch zwei zylindrische Absätze 15 und 16
gebildet.
Die durch diese Stufe 14 bzw, durch die Zylinderflächen 15 und 16 getrennten Abschnitte
des Diffusors 7 sind mit 17 und 18 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform soll der
Durchströmquerschnitt in den beiden durch die Stufe 14 getrennten Abschnitten über
die gesamte Länge des Abschnittes gleich sein, Es soll daher die Bedingung erfüllt
sein Rl . bi = R2 . b2. Dies ist die Formel einer gleichseitigen Hyperbel und die
Erzeugenden der Abschnitte 17 und 18 verlaufen daher nach den Ästen einer gleichseitigen
Hyperbel, deren Asynqtote die Achse der Welle l darstellt. Der Durchströmquerschnitt
des Abschnittes 18 ist jedoch größer als der Durchströmquerschnitt des Abschnittes
17, so daß der Austrittsquerschnitt bei 19 aus dem Diffusor 7 größer ist als der
Eintrittsquerschnitt bei 20 in den Diffusor 7. Der Durchströmquerschnitt des Diffusors
erweitert sich somit unstetig bzw. stufenweise in der Strömungsrichtung-.
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Das durch die Ansaugkanäle 9 und 10 in den Saugkasten 8 des Diffusors
eintretende Gas wird durch den aus dem Laufrad 2 austretenden Flüssigkeitsstrahl,
der den Treibstrahl bildet, angesaugt und im Diffusor 7 vermischt und infolge der-Erweiterung
des Durchströmquerschnittes verdichtet, wobei in der Stufe 14 eine gute Vermischung
und eine Zerteilung der mitgeführten Gasblasen erfolgt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Laufrad 21 einflutig,
wobei 22 die Ansaugöffnung darstellt. In den Saugkasten 8 münden wieder die Gas-
bzw. Luftzuführungsleitungen 9 und 10 und der Diffusor 23 weist wieder eine Stufe
14 auf, die durch zylindrische Wände 15 und 16 gebildet ist. Der Hohlraum des Diffusors
23 ist wieder durch zwei Ringscheiben 24, 25 begrenzt, jedoch sind die Erzeugenden
dieser beiden Ringscheiben in den Bereichen 17 und 18 gerade. Es ist somit hier
nicht die Bedingung erfüllt, daß in jeden der beiden Abschnitte 17 und 18 über die
gesamte Länge dieser Abschnitte der Durchströmquerschnitt gleich bleibt. Der Durchströmquerschnitt
im
Bereich 18 ist aber wieder größer als der Durchströmquerschnitt im Bereich 17 und
an der Austrittsstelle 19 ist der Äusströmquersciinitt größer als der Einströmquerschnitt
an der Stelle 20.
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Während bei der nusfiihrungsform nach Fig. l und 2 der Diffusor 7
unbeschaufelt war, sind nun im Diffusor 23 Leitschaufeln 26 vorgesehen, zwischen
welchen Kanäle 27 gebildet werden. Die Leitschaufeln 26 verlaufen nach einer logarithmischen
Spirale, so daß die Strömung ihren Charakter als freie Strömung beibehält, deho
die einzelnen Stromlinien folgen dem Flächensatz r . c = const.
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wobei r den Abstand des betrachteten Punktes von der Dreh-und dle
achsec#Umfangskomponente der Strömung bedeu#tet. Die Leitschaufeln 26 sind um den
Winkel « gegeneinander versetzt.
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Durch den aus dem Laufrad 21 austretenden Strahl wird Gas bei 28
aus dem Saugkasten 8 angesaugt und es bilden sich Gasvakuolen, die durch die strich-punktierten
Begrenzungslinien 29 angedeutet sind. Um diese Gasvakuolen nicht zu stören, weisen
die Leitschaufeln 26 des Diffusors 23 Ausschnitte 30 auf. Die Länge dieser Ausschnitte
30 in radialer Richtung betragen das 3- bis 6-fache ihrer Höhe. Diese Ausschnitte
30 sind trapezförmig gestaltet.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 ist ein zweiflutiges Laufrad
31 vorgesehen, 32 ist die Gaszuführungsleitung, welche in den Zwischenraum 33 zwischen
den beiden Teilen des Laufrades 31 mündet. Der Diffusor 34 weist nun zwei Stufen
14 und 14' auf, wobei die beiden den Diffusorraum 34 begrenzenden Ringscheiben 35
und 36 durch die zylindrischen Teile 15 und 16 abgestuft sind. Die Erzeugenden der
Abschnitte 37, 38 und 39 sind wieder so wie bei den Anordnungen nach Fig. 3 und
4 geradlinig. Die Durchströmquerschnitte im Abschnitt 39 sind größer als die Durchströmquerschnitte
im Abschnitt 38 und diese sind wieder größer als die Durchströmquerschnitte im Abschnitt
37,
so daß sich an der Austrittsstelle 19 ein größerer Austrittsquerschnitt
ergibt als der Einströmquerschnitt an der Stelle 20.
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In diesem Falle schließt der Diffusor bei 40 an das Laufrad 31 an,
jedoch ist auf eine Dichtung verzichtet. Auch bei dieser Ausführungsform weist der
Diffusor Leitschaufeln 41 auf, welche geradlinig geformt sind. Durch den aus den
beiden Hälften des Laufrades 31 austretenden Strahl wird Luft bzw.
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Gas aus dem Zwischenraum 33 angesaugt, wobei sich eine Gasvakuole
42 bildet, deren Umriß wieder durch strich-punktierte Linien angedeutet ist. Milch
hier weisen die Leitschaufeln 41 Ausschnitte 43 auf, um die Bildung der Gasvakuole
nicht zu stören. Diese Ausschnitte weisen eine radiale Länge auf, welche ungefähr
das 6-fache ihrer mittleren höhe beträgt, wobei die Ausschnitte Trapezform haben.
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Patentansprüche: