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"Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten" 1 atentansprüche:
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten,
vorzugsweise zwecks biologischer Reinigung, mit einer, zur Zuleitung von Gas. zur
Flüssigkeit hohl ausgebildeten Welle, die an ihrem freien eingetauchten Ende eine
axiale Gasausströmöffnung aufweist und an diesem Ende einen aus wenigstens zwei
Wendeln bestehenden Propeller trägt, dessen Steigung zusammen mit dem Drehsinn der
angetriebenen Hohlwelle eine zum eingetauchten Hohlwellenende gerichtete Strömung
erzeugt, wobei die Wendeln jeweils wenigstens zwei Drittel des Hohiwellenumfanges
umschließen, einen vom antriebsseitigen Propellerende in Richtung auf das freie
Hohlwellenende von Null an zunehmenden Radius aufweisen, an ihren, bezogen auf die
Drehrichtung frontseitigen Flächen bei in Drehrichtung gegenüber diesen Flächen
vorspringenden Außenkanten konkav ausgebildet sind und am abtriebsseitigen Ende
von den frontseitigen Flächen jeweils zum Rücken der in Drehrichtung voraneilenden
Wendel verlaufende Übergangsflächen aufweisen, welche jeweils im frontseitigen Bereich
der Wendel konkav gekrümmte Hohlräume bzw. Wirbelkammern begrenzen.
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung nach der DE-PS 24 61 032
aus. Diese bekannte Vorrichtung weist eine
motorgetriebene Hohlwelle
auf, die am motorseitigen Ende Lufteintrittsschlitze in der Hohlwelle zeigt, durch
welche Luft in der Hohlwelle bis zum eingetauchten Hohiwellenende strömt und aus
einer Gasausströmöffnung austritt. Die Gasausströmöffnung liegt am axialen Ende
der Hohlwelle. Die treibende Kraft dieser Luftströmung ist der Sog, bzw. die Ejektorwirkung,
die ein am freien Ende der Hohlwelle angeordneter Propeller erzeugt.
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Einen wesentlichen Wertmaßstab für derartige Vorrichtungen bildet
die pro aufgenommene Motorleistung in die Flüssigkeit, insbesondere das Abwasser,
eingebrachte Luft- oder Gasmenge. Eine weitere Bewertungsgröße bildet die Verteilung
der eingebrachten Luft im Abwasser. Die eingebrachte Luft wird im Abwasser biologisch
umso wirksamer, je größer ihre Berührungsfläche mit dem Abwasser ist; je feinblasiger
die Luft im Abwasser verteilt wird umso wirksamer ist die Vorrichtung.
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Vorrichtungen der eingangs genannten Art dienen aber auch zum Umwälzen
der Flüssigkeit. Vorzugsweise in Becken zur biologischen Reinigung von Abwasser
bilden sich leicht Totzonen, in denen zuwenig oder gar keine Strömung vorhanden
ist, und in denen infolgedessen der für die biologischen Abbauprozesse erforderliche
Sauerstoff rasch verbraucht ist und nicht erneuert wird. Die gewünschten aeroben
Abbauprozesse
schlagen dann in anaerobe Faulprozesse um, welche ohne Sauerstoffeintrag ablaufen
können. In Aerob becken sind Faulprozesse höchst unerwünscht, weil sie den Abbau
der in dieser Stufe der Reinigung zerlegbaren organischen Verbindungen, vorwiegend
der Kohlehydrate, Fette und Eiweiße, hemmen bzw. verzögern. Ganz besonders unerwünscht
sind jedoch die bei Faulprozessen entstehenden Gase, die eine untragbare Geruchsbelästigung
der Umgebung verursachen. Deshalb sollen Vorrichtungen der eingangs genannten Art
mit ihren Propellern möglichst weitreichende, möglichst gebündelte, gerichtete Strahlen
luftangereicher ter Flüssigkeit erzeugen, die in solche fäulnisgefährdeten Zonen
eindringen, diese aufwirbeln und mit Luftsauerstoff anreichern.
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In besonders hohem Maße fäulnisgefährdet sind in aerobbiologischen
Becken die Bodenbereiche. Schweb-, Trüb-, Sink-und Feststoffe reichern sich sehr
leicht in den bodennahen Bereichen an, bilden Sedimentationsschichten, welche darunterliegende
Zonen gegen darüberliegende abschrimen. In und unter solchen Sedimentationsschichten
entwickeln sich in der Regel rasch Faulprozesse.
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Das Aufbrechen und Belüften solcher Sedimentationsschichten wird mit
Vorrichtungen der eingangs genannten Art nicht nur
infolge der Abschirmwirkung
der Sedimente erschwert, sondern auch durch den mit zunehmender Beckentiefe größer
werdenden geostatischen Flüssigkeitsdruck und daraus resultierendem Auftrieb der
Gasblasen. So ist die Reichweite, die ein von der eingangs genannten Vorrichtung
erzeugter, horizontal oder weitgehend horizontal gerichteter Flüssigkeitsstrahl
hat, erheblich größer als die Reichweite eines lotrecht oder überwiegend lotrecht,
beckenbodenwärts gerichteten Strahles.
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Die Beckentief ist bei Aerobbecken ein wichtiges Kriterium.
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Die aus biologischen Gesichtspunkten zulässige Beckentiefe kann nur
dann verwirklicht werden, wenn energiekonsumierende, wartungsbedürftige, mechanische
Rühr- oder UMwälzeinrichtungen angewendet werden. Dadurch wird die #bwasserreinigung
teuer. Die andere Alternative ist der Einsatz flacherer, weniger sedimentationsgefährdeter
Aerobbecken. Diese haben aber bei gleicher Abbauleistung wesentlich größeren Platzbedarf.
Hohe Grundstückspreise und -belastungen sind der Nachteil dieser Alternative, die
aber auch dann nicht gewählt werden kann, wenn bestehende, räumlich nicht erweiterungsfähige
jobwasserreinigungsanlagen auf eine höhere Leistung gebracht werden müssen.
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Die Vorrichtung der eingangs genannten Art wird aber nicht nur für
die kalte, aerob-biologische Behandlung, auf die
bisher Bezug genommen
wurde, eingesetzt, sondern auch für die Endbehandlung des anfallenden Schlamms in
sogenannten aerob-thermophilen Abbaustufen. In diesen Stufen laufen die biologischen
Prozesse unter Ausnutzung der entwickelten Eigenwärme in Bereichen über 400 C vorzugsweise
um 65 C ab, sofern bedarfsgerecht umgewälzt und der für die Erzeugung der hohen
Temperatur erforderliche Sauerstoff eingebracht wird. Der besondere Vorteil dieser
aerob-thermophilen biologischen Abbauprozesse besteht darin, daß infolge der entwickelten
hohen Temperaturen ein sterilisationsähnlicher Effekt erzielt wird, durch den ohne
besondere weitere Maßnahmen hygienisch unbedenklicher Schlamm, d. h. ohne pathogene
Keime erzielt wird, welcher unbedenklich und ohne Geruchsbelästigungen als Naturdünger
ausgebracht werden kann.
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Bei derartigem Einsatz der eingangs genannten Vorrichtung kommt es
zunächst auf einen möglichst hohen Luftsauerstoffeintrag in möglichst feinblasiger
Form an, aber auch die großräumige Umwälzung spielt eine wesentliche Rolle.
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Bisher stellte die Vorrichtung der eingangs genannten lsrt die Optimal
lösung für die geschilderten Einsatzbedingungen dar. Der von Null an, in Richtung
auf das freie Ende hin zunehmende Radius der Wendeln stellt sicher, daß Faserstoffe
vom Propeller abgleiten ohne sich zu verfangen und den Propeller unwirksam zu machen.
Die in Drehrichtung vorspringenden Außenkanten der Wendeln und deren, bezogen auf
die Drehrichtung, frontseitige konkave bzw. hohle Formgebung wirkt der Radialbeschleunigung
durch den rotierenden Propeller entgegen und hält die Flüssigkeit im Wirkungsbereich
der Wendeln, so daß ständig Axialbeschleunigung aufgebracht werden kann. Starke
Axialbeschleunigung der Flüssigkeit führt zu einem weitrechenden axialgerichteten
Flüssigkeitsstrahl. Kiese Wirkung wird verbessert durch die wenigstens zweid: ittel
Wellenumfang umschließenden
Wendeln, denn längere Einwirkstrecke
der Wendeln bedeutet bessere axiale Beschleunigung. Schließlich sorgte die am Abtriebsende
der Wendeln, durch die Übergangsflächen herbeigeführte Aufspreizung, zumindest nach
bisheriger Erkenntnis, für eine gute Ejektorwirkung an der Gasausströmöffnung der
Hohlwelle und damit für einen hohen Lufteintrag in die Flüssigkeit.
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Die Erläuterung der Verwendungszwecke der eingangs genannten Vorrichtung
hat aufgezeigt, daß die Erzeugung eines möglichst stark gebvundelten, möglichst
stark axial beschleunigten, möglichst energiehaltigen Flüssigkeitsstrahles eine
große Bedeutung hat.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte
Vorrichtung im Sinne oer vorgenannten Eigen schafden
Lufteintrag
möglichst zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die eingangs genannte
Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß die wendeln mit ihren Übergangsflächen
über die Gasausstrdmöffnung hinaus in Abströmrichtung axial verlängert sind, daß
die freien Enden der Wendeln und ihrer Übergangsflächen an ihren Enden parallel
zur Achsrichtung der Hohlwelle verlaufen und daß die Übergangsflächen im mittleren,
hohlwellennahen Bereich wenigstens so weit der Hohiwellendrehachse angenähert sind,
bis sie sich einer gedachten, über die Gasausströmöffnung hinaus verlaufenden Verlängerung
der Hohlwelle annähern, diese tangieren oder vorzugsweise schneiden.
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Vorteilhaft weitergebildet ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung,
wenn die Wendeln aus ihrem Steigungsverlauf über der Hohlwelle in Form stetiger
Kurven in die axial gerichteten Verlängerungen übergehen.
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Es ist weiterhin sinnvoll, wenn die Wirbelkammern am Ende des Propellers
zumindest parallel zur Hohlwellenachse, vorzugsweise wenigstens geringfügig zur
Hohlwellendrehachse hin geneigt verlaufen.
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Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung
nicht nur eine bisher nicht erzielbare axiale
Bündelung und Beschleunigung
des erzeugten Flüssigkeits strahles bewirkt, sondern überraschend und unvorhersehbar
auch noch eine erhebliche Steigerung der Menge und feinblasigere Verteilung der
eingetragenen Luft ohne Steigerung der Motorleistung erbringt.
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Nähere Untersuchungen dieses unerwarteten Phänomens haben ergeben,
daß die zwischen den dendelfrontseiten und der Hohlwelle bzw. zwischen den Wendeifrontseiten
und den Übergangsflächen, d. h. in den ,ffirbelkammern erzeugten, infolge ihres
Kontaktes mit der radial äußeren Flüssigkeit gegensinnig zur Hohlwelle rotierenden,
strangförmigen Flüssigkeitswirbel im Bereich der Verlängerungen derart an die Gasausströmöffnung
geordnet herangeführt werden, daß sich ihre isKialgeschwindigkeit zur Rotationsgeschwindigkeit
der Wirbel addiert. Die Summe beider Flüssigkeitsgeschwindigkeiten wirkt sich im
Bereich der Gasausströmöffnung der Hohlwelle aus. Aus der Tatsache, daß die Saugwirkung
einer Flüssigkeitsstrahlpumpe eine Funktion der Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist,
kann die unerwartete Leistungssteigerung der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
erklärt werden. Für die gute feinblasige Verteilung der eingesaugten Luft in der
Flüssigkeit ist ebenfalls die erwähnte Summierung der Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
verantwortlich, sie führt zu starken Schereffekten und zur Zerreißung etwa entstehender
großer Gasblasen.
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Es wurde ferner gefunden, daß sich die abgestrahlten strangförmigen
Flüssigkeitswirbel in einer gewissen Entfernung vom Hohlwellenende in einem Knoten
treffen. Das bedeutet, daß diese strangförmigen Flüssigkeitswirbel aufeinander zulaufen,
wenn sie die Wendeln verlassen haben.
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Das bedeutet optimale axiale Bündelung d. h. geringer Abstrahlwinkel
und somit hoher Energiegehalt. Die Reichweite und die Stoßkraft des von der erfindungsgemäß
ausgebildeten Vorrichtung erzeugten Flüssigkeitsstrahles übertrifft die Ergebnisse
der bekannten Vorrichtung bei weitem.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der erfindungsgemäß ausgebildeten
und der eingangs genannten bekannten Vorrichtung besteht darin, daß bei letzterer
davon ausgegangen wurde, man müsse eine, wenn auch begrenzte, jedoch gewisse Abspreizung
der Wirbelkammern von der Hohlwelle am Wellenende vorsehen, um die nötige Flüssigkeitsgeschwindigkeit
an der Gasausströmöffnung zu erzielen, die einen hohen Gaseintrag gewährleistet.
Für diese Abspreizung war unter anderem der Verlauf der Übergangsflächen verantwortlich,
die bei der bekannten Vorrichtung im mittleren, wellennahen Bereich in einem radialen
Abstand von der Außenkontur der Hohlwelle verliefen. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß infolge dieser Abspreizung ungeordnete Abrißwirbel am Ende der Wendeln entstehen.
Die geordneten Strömungsbilder brechen zusammen und verzehren Energie.
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Für die einleitend erläuterten Anwendungsfälle bietet die erfindungsgemäß
ausgebildete Vorrichtung zahlreiche Vorteile.
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Da die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung erheblich mehr Gas
in die Flüssigkeit einbringt und einen viel intensiveren kräftigeren schmaleren
Flüssigkeitsstrahl erzeugt als die bekannte, kann die iinzahl der benötigten Vorrichtung
pro Becken oder Behälter reduziert werden. Der .usstattungspreis wird geringer und
die Abwasserreinigung wird billiger, weil die besseren Ergebnisse der erfindungsgemäß
ausgebildeten Vorrichtung ohne Steigerung der Motorleistung erzielt werden. Der
Flüssigkeitsstrahl hat eine wesentlich größere Reichweite, er dringt auch in größere
Tiefen vor. So können Behälter oder Becken nicht nur größer sondern auch tiefer
ausgebildet werden, wodurch leistungssteigerungen möglich sind oder in Grenzbereichen
fahrende überlastete Abwasserreinigungsanlagen ausschließlich durch Einsatz der
erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung wieder im Normalbereich arbeiten können
und zusätzlich noch Reserveabbaukapazitäten gewinnen.
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Ein Ausführungsbeispielder erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 - eine vereinfachte Gesamtansicht
der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung Fig. 2 - einen Schnitt längs der Linie
II-II in Fig. 4
Fig. 3 - einen Blick auf das freie Ende der Hohlwelle
und des Propellers Fig. 4 - eine Seitenansicht des freien Abtriebsendes der Vorrichtung
mit dem Propeller.
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Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1, die zum Belüften und Unwälzen
von Flüssigkeiten 7, vorzugsweise bei der Abwasserreinigung dient. .-n einem, in
nicht näher gezeigter Weise, kardanisch aufgehängten Elektromotor 2 ist eine Hohlwelle
3 angeflanscht, die in Motornähe Lufteintrittsschlitze 4 aufweis Am unteren, freien
Ende hat die Hohlwelle 3 eine axiale Gas-bzw. Luftausströmöffnung 5. Außerdem ist
am freien Wellenende ein Propeller 6 angeordnet, der in Figur 1 nur symbolisch angedeutet,
in Figur 4 jedoch in Seitenansicht, in den Figuren 2 und 3 in Schnitt- bzw. Endansicht
zu erkennen ist.
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Aufgrund der kardanischen Aufhängung kann die Vorrichtung 1 in beliebigen
Neigungslagen, wie der, die in Figur 1 gezeigt ist, in Flüssigkeit, bzw. Abwasser
7 eintauchen und außerdem um eine lotrecht verlaufende Achse in beliebige Richtungen
verschwenkt werden.
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Die Vorrichtung kann außerdem von einem ebenfalls nicht gezeigten
Gehäuse umgeben sein, das sich vom Motor 2 bis zum Propeller 6 erstreckt, zumindest
im Motorbereich zur Luftführung dient und im übrigen unerwünschte Umwelteinflüsse
von der Vorrichtung 1 fernhält.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der Gestaltung des Propellers 6.
Dieser besteht in Figur 2 aus drei wendeln 8, die am motorseitigen Ende mit dem
Radius Null beginnend bis zu ihrem Größtradius allmählich zunehmen und sich um zwei
Drittel des Umfanges der Hohlwelle 3 erstrecken. Die Wendeln 8 sind gemäß Figur
2, bezogen auf die Drehrichtung der Hohlwelle 3, frontseitig konkav gestaltet und
haben in Drehrichtung vorspringende außenkanten 9.
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Am Ende der Hohlwelle 3 erstrecken sich zwischen der Frontseite jeder
Wendel 8 und dem Rücken der in Drehrichtung der Hohlwelle 3 voraneilenden Wendel
8 bogenförmig gekrümmte Übergangsflächen 10. Zwischen diesen Übergangsflächen 10
und den Pendeln liegen Wirbelkammern 11, in denen die Flüssigkeit 7,während sie
axial beschleunigt wird, zugleich in Richtung der Pfeile 12 rotierende, strangfömige
viirbelkörper bildet.
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Die Wendelenden und deren Übergangsflächen 10 sind über die Gasausströmöffnung
5 hinaus verlängert. Diese Verlängerungen sind, wie in Figur 4 bei Position 13 gezeigt,
nahezu parallel zur Drehachse 14 der Hohlwelle gerichtet. Außerdem nähern sich,
schneiden oder tangieren die Übergangsflächen 10 gem.
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Fig. 3 die Konturen der Hohlwelle 3. Der tangierende Verlauf ist in
geschlossenen Linien, der Verlauf beim Schneiden der Hohlwellenkonturen ist in gestrichelten
Linien eingezeichnet.
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Durch diese Formgebung des Propellers 6 entstehen in den Wirbelkammern
11, die infolge dieser Gestaltung außerdem am Ende des Propellers 6 einen axialen
Verlauf haben, strangförmige Flüssigkeitswirbel 15, die sich in einem Abstand vom
Propeller 6 und der Gasausströmöffnung 5 in einem Wirbelknoten 16 treffen.
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Durch den Verlauf der Übergangsflächen 10 ist sichergestellt, daß
der Querschnitt der Gasausströmöffnung auch dann nicht verkleinert wird, wenn die
Übergangsflächen 10, wie gestrichelt in Figur 3 eingezeichnet ist, innerhalb der
Konturen der Hohlwelle 3 verlaufen, denn diese Hinterschneidung findet in einem
..bstand von der Gasausströmöffnung 5 statt.
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Die Addition der Geschwindigkeitsvektoren der Flüssigkeit, die Pfeile
12 - Rotation der Wirbel - und Pfeile 17 - Axialgeschwindigkeit der Wirbel - zeigen
deren Richtung, erzeugt im Bereich der Gasausströmöffnung 5 eine sehr hohe Geschwindigkeit
der Flüssigkeit, die eine starke Ejektorwirkung zur Folge hat, was den eintrag großer
Gas- oder Luftmengen in die Flüssigkeit 7 bedeutet. Die Vereinigung der Wirbel 15
am irbelknoten 16 zeigt eine axiale Zusammenfassung d. h.
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Bündelung des erzeugten Flüssigkeitsstrahles in einem Abstand von
dem Propeller 6. Dadurch wird die Energie und Reichweite des Flüssigkeitsstrahles
erhöht.
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