DE3416302C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 29 28 661 ist eine derartige Belüftungs­ vorrichtung bekannt. Sie hat auf einer vertikalen Hohl­ welle zwei in einem Abstand hintereinander angeordnete Propeller. Unmittelbar unter dem oberen Propeller stehen senkrecht zur Hohlwelle und diametral zueinander Rohr­ stücke vor, die radial nach außen gerichtete Gasaus­ trittsöffnungen an ihren Enden haben. Aus ihnen tritt infolge der Wirkung des davor angeordneten Propellers Luft aus, die in Form von einzelnen Luftblasen mit der Flüssigkeit mitgenommen und schließlich von dem zweiten Propeller in größere Tiefe des die Flüssigkeit enthalten­ den Behälters gefördert werden sollen. Diese Vorrichtung ist nur für relativ saubere Flüssigkeiten geeignet, da sie aufgrund der Anordnung der Luftaustrittskanäle und ihrer Innenform zur Zusetzung der Luftaustrittskanäle neigt, wenn die Vorrichtung abgeschaltet war und Flüssig­ keit in die Gaskanäle eindringen konnte. Außerdem können sich längere Fasern und Fäden an den Rohrstücken und Propellern ansetzen und diese praktisch außer Betrieb setzen. Außerdem wird der stromabwärts vorgesehene Pro­ peller durch das dispergierte Gas in seiner Wirkung be­ einträchtigt. Dies gilt auch für eine alternative Aus­ führungsform, bei der in Strömungsrichtung vor dem unteren Propeller eine zweite Gasaustrittsöffnung vorgesehen ist, die als Hilfsöffnung dient.

Die DE-PS 24 61 032 beschreibt eine Vorrichtung, bei der zur Vermeidung von Faden- oder Faseransetzungen (Ver­ zopfungen) die Propellerblätter als Schraubenwendel aus­ gebildet sind, wobei diese um mindestens zwei Drittel des Umfangs der Hohlwelle herumreichen. Die axiale Gasaus­ strömöffnung befindet sich am eingetauchten Ende der Hohl­ welle. Der Radius der Wendel nimmt in Strömungsrichtung von Null an zu.

Auch bei der DE-OS 28 35 914 werden Schrau­ benwendel benutzt, wobei die Gasaustrittsöffnungen am tangentialen Ende der Wendel vorgesehen sind. Beide Aus­ führungen haben einen geringen Schraubenwirkungsgrad. Wegen der engen Nachbarschaft von Gasaustrittsöffnungen und Propellerblättern besteht die Gefahr, daß Gas auf die Unterdruckseite der Flügel gelangt, wodurch es zum Ab­ reißen der Strömung und damit zu einer weiteren Ver­ schlechterung des Wirkungsgrades kommt.

Insgesamt können alle obenerwähnten Vorrichtungen nur eine verhältnismäßig geringe Gasmenge ansaugen und keine axiale Abströmung des gasenthaltenden Flüssigkeitsstromes erzielen. Es kommt vielmehr schnell zu einer Strahlaufweitung, so daß die Reichweite des Strahles gering ist. Angestrebt wird je­ doch eine axiale Abströmung mit möglichst großer Reichweite nicht nur des Flüssigkeitsstroms, sondern vor allem der darin enthaltenen Luftblasen, um die gewünschten Reak­ tionen in dem Behälter zu bewirken. Die große Reichweite ist wesentlich, um auch tiefe Behälter einer Flüssigkeit/ Gas-Dispersion zu versorgen, ohne die Propeller selbst tief anordnen zu müssen. Dies würde nicht nur die Selbstan­ saugung des Gases behindern, sondern auch lange und damit schwingungsweiche, mechanisch unstabile Wellen er­ fordern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Belüftungsvorrichtung zu schaffen, die ohne Gefahr von Verstopfungen oder Ver­ zopfungen eine große Gasmenge dispergiert und mit geringem Energieaufwand über große Reichweiten axial fördert.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Der beschriebene Propeller hat einen guten Propellerwir­ kungsgrad und erzeugt einen axialen, nicht zur Aufweitung neigenden Strahl mit relativ geringem Drall. Infolge seiner Rückwärtspfeilung arbeitet er verzopfungsfrei, ohne den schlechten Wirkungsgrad und starken Drall zu erzeugen wie entsprechende Schraubenwendeln mit langer axialer Er­ streckung. Insbesondere durch den geringen Drall ist die Neigung zur radialen Strahlauffächerung gering. Die Gas­ austrittsöffnungen liegen im Bereich der höchsten Flüssig­ keitsgeschwindigkeit auch unter Berücksichtigung einer Strahlkontraktion hinter dem Propeller.

Der relativ große axiale Abstand der Gasaustrittsöffnungen von den Propellerblättern sorgt dafür, daß die Gaseindis­ pergierung die Propellereigenschaften nicht beeinträchtigt. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß auch bei um einen gewissen Betrag von den Propellerblättern stromab­ wärts liegenden Gasaustrittsöffnungen Gas durch lokale Wirbel auf die Unterdruckseite der Propellerblätter ge­ rät. Sobald sich Gas dort ansammelt, wird die saubere Umströmung der Profile gestört, und es kommt zum Abreißen der Strömung. Dabei nimmt die radiale Komponente auf Kosten der axialen stark zu. Unter diesen Umständen kann zwar die Gasförderung aufrechterhalten werden, jedoch fächert der Strahl hinter dem Propeller schirmartig auf, so daß seine Reichweite stark zurückgeht. Die Dispersion kann somit nicht bis auf den Boden tiefer Behälter gelan­ gen. Das gilt insbesondere bei rein radialen Gasaus­ trittsöffnungen im Propellerspitzenbereich, bei denen das Gas leicht die Propelleraußenkanten umströmen kann.

Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Mündungs­ fläche der Gasaustrittsöffnungen sowohl nach außen als auch in Achsrichtung weisend schräg gerichtet auszuführen. Da­ durch wird eine gute Dispersion erreicht, und das Gas kommt schnell aus dem Bereich der Deckung durch die Gas­ austrittskanäle.

Die Schräge der Gasaustrittskanäle gegenüber der Propeller­ achse sollte zwischen 30 und 60° betragen und kann vorzugs­ weise bei 45° liegen. Dadurch ist sichergestellt, daß sich auch an den Gasaustrittskanälen keine Feststoffe fest­ setzen können, die die Strömung behindern und die Antriebs­ leistung erhöhen würden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist jedem der vorzugs­ weise drei Propellerblätter eine Gasaustrittsöffnung zuge­ ordnet. Dadurch kann die Gasaustrittsöffnung auch in Um­ fangsrichtung den jeweiligen Strömungsverhältnissen ge­ nauestens angepaßt werden. Es hat sich gezeigt, daß die Gasaustrittsöffnungen besonders vorteilhaft, in Strömungs­ richtung betrachtet, auf der Druckseite der zugehörigen Propellerblätter liegen. Wenn man also dem Stromfaden von der Propellerhinterkante folgt, so würde die Gasaustritts­ öffnung in Drehrichtung davor liegen.

Die Gasaustrittskanäle können gegenüber einer gedachten, die Propellerachse enthaltenen Längsebene unter einem Win­ kel verlaufen, und zwar vorzugsweise, in radialer Rich­ tung auf die Propellerwelle gesehen, in Stromfadenrichtung. Das bedeutet in der Praxis, daß die Gasaustrittskanäle in Drehrichtung etwas rückwärts gepfeilt verlaufen. Sie behin­ dern somit am wenigsten die Strömung und sorgen dafür, daß das ausströmende Gas störungsfrei in die Flüssigkeit ein­ dispergiert.

Besonders bevorzugt kann die Propellerwelle über die Stelle, an der die Gasaustrittskanäle in sie münden, verlängert und vorzugsweise mit einem verjüngten Abschlußteil versehen sein. Trotz der dadurch vergrößerten Reibungsfläche wird dadurch eine besonders gute Strahlführung erreicht und der Strahl­ auffächerung entgegengewirkt.

Fig. 1 eine abgebrochen gezeichnete und teils schematische Seitenansicht der Belüftungsvorrichtung,

Fig. 2 eine axiale Ansicht auf das freie Ende der Be­ lüftungsvorrichtung und

Fig. 3 eine schematische, abgewickelte Seitenansicht der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Belüftungsvorrichtung, die zur Belüftung und zum Umwälzen der Flüssigkeit in Behältern vorgesehen ist, insbesondere von Feststoffen enthaltenden Flüssigkeiten, wie Abwasser-Schlamm etc. Derartige Belüftungsvorrichtungen werden beispielsweise zur aerob thermophilen Schlammstabili­ sierung eingesetzt. Dabei ist es wesentlich, daß Luft in der Flüssigkeit dispergiert und auch in die tieferen Be­ reiche des Behälters transportiert wird.

Die Belüftungsvorrichtung 11 besitzt eine hohle, von einem Motor angetriebene Propellerwelle 13, deren unterer Ab­ schnitt dargestellt ist. Sie reicht über eine gewisse Strecke in den Behälter hinein (normalerweise zwischen i und 2 m) und damit auch unter den Flüssigkeitsspiegel 23, jedoch hat ihr unteres Ende einen sehr großen Abstand zum Behälter­ boden.

Die Propellerwelle 13 ist ein gerades Rohr, das auch gleich­ zeitig die Propellernabe 14 bildet. An dieser sind im dar­ gestellten Beispiel drei Propellerblätter 15 angeschweißt, die ein strömungsgünstiges Propellerprofil haben und ge­ pfeilt angeordnet sind. Dabei verläuft ihre Eintrittskante 16 unter einem Winkel zur Propellerachse 17, der 30 bis 60° betragen kann und vorzugsweise in der Größenordnung von 45° liegt. Diese Schrägstellung sorgt für ein Abgleiten von in der Flüssigkeit enthaltenen Festkörpern, insbesondere von Fäden oder Fasern,während des Betriebes.

Die Propellerflügel haben eine relativ große Steigung und Streckung, so daß die radiale Länge nicht kleiner ist als ihre doppelte Tiefe in Strömungsrichtung. Dadurch wird ein guter Wirkungsgrad und eine möglichst drallarme Abströmung erreicht.

Die sich in Richtung auf ihr Ende 18 fortsetzende Pro­ pellerwelle trägt im Abstand von dem aus den drei Pro­ pellerblättern 15 gebildeten Propeller 19 drei Gasaus­ trittskanäle, die in Form zur Propellerwelle schräg ange­ ordneter Rohrstücke ausgebildet sind, die mit der Pro­ pellerwelle verschweißt sind und deren Inneres mit dem Hohlraum der Propellerwelle in Verbindung steht. Ihre Ab­ schrägung oder Pfeilung verläuft in der gleichen Richtung wie die des Propellers, nämlich in Strömungsrichtung 22 und nach außen, so daß sich auch hier kein Material festsetzen kann. Die Mündungen 21 der Gasaustrittskanäle 20 verlaufen etwa quer zur schrägen Achse der Gasaustrittskanäle, d. h. sie sind, wie diese schräg nach außen und in Strömungs­ richtung gerichtet.

Wie aus Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, haben die Gasaus­ trittskanäle jedoch gegenüber der Propellerachse 17, auch in radialer Richtung betrachtet, eine Schrägstellung, die in Drehrichtung nachlaufend gepfeilt ist. Sie ist so gewählt, daß sie unter Berücksichtigung des Dralls der Strömung hinter dem Propeller etwa in Richtung der Stromfäden läuft, wie aus Fig. 3 (s. Winkel c) hervor­ geht. Vorzugsweise ist die Mündung 21 dabei nicht genau quer zur Achse 22 des Gasaustrittskanals 20 abgeschnitten, sondern ihre in Umfangsrichtung weisende Achse liegt zwischen der Horizontalen und der dem Winkel c ent­ sprechenden Neigung.

Die Gasaustrittsöffnungen oder -mündungen 21 liegen für alle drei Gasaustrittskanäle auf gleichem radialem Ab­ stand und in einem Bereich höchster Strömungsgeschwindig­ keit, der sich etwa von 90% des Propellerdurchmessers bis zu 120% des Propellernabendurchmessers (im vorlie­ genden Falle des Wellendurchmessers) erstreckt. In diesen Bereichen treten keine Geschwindigkeitsverminderungen des Strahls durch Untermischung mit der äußeren ruhenden Flüssigkeit ein noch infolge der Oberflächenreibung an der Propellernabe, so daß eine gute Selbstansaugung der Luft durch die hohle Propellerwelle erfolgt.

Die Propellerwelle ragt noch etwas über die Gasaustritts­ kanäle und ihre Mündungen hinaus und ist mit einem ver­ jüngten Endteil 18 versehen, das im Ausführungsbeispiel die Form der hinteren Hälfte eines Stromlinienkörpers hat. Eine Halbkugel bildet jedoch ebenfalls ein recht günstiges Profil.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Dispergieren von Luft oder eines anderen Gases in eine Flüssigkeit, insbesondere eine Feststoffe enthaltende Flüssigkeit, mit einem Propellerblätter aufweisenden Propeller, mit einer antreibbaren, hohlen Welle, an der der Propeller befestigt ist, und mit nach außen verlaufenden Gasdurchtrittskanälen, die mit ihren einen Ende an die Welle anschließen, die an ihren anderen Ende Gasaustrittsöffnungen aufweisen, die mindestens um den Betrag eines halben Propellerdurch­ messers stromabwärts der Propellerblätter liegen und deren radiale Abstände von der Propellerachse im Bereich unterhalb von 90 % des Propellerradius liegen, wobei das Gas durch die Welle und die Gasdurchtrittskanäle in die Flüssigkeit gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdurchtrittskanäle schräg stromab verlaufen und daß der Winkel zwischen den Anströmkanten der stromab gepfeilten Propellerblätter und der Wellenachse zwischen 30° und 60° beträgt.

2. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mündungsflächen der Gasaustritts­ öffnungen (21) sowohl nach außen ale auch in Propel­ lerachsrichtung (17) weisend schräg gerichtet sind.

3. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand der Gasaus­ trittsöffnungen (21) von der Propellerwelle (13) ca. 20% des Wellenradius nicht unterschreitet.

4. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräge der Gasaustrittskanäle (20) gegenüber der Propellerachse (17) zwischen 30° und 60°, vorzugsweise ca. 45°, beträgt.

5. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der vorzugsweise drei Propellerblätter (15) eine Gasaus­ trittsöffnung (22) zugeordnet ist.

6. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (21), in Stromfadenrichtung betrachtet, auf der Druckseite der zugehörigen Propellerblätter (15) liegen.

7. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Propeller (19) kein weiterer Propeller nachgeschaltet ist.

8. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaus­ trittskanäle (20) gegenüber einer gedachten, die Propellerachse enthaltenden Längsebene unter einem Winkel verlaufen, und zwar vorzugsweise, in radialer Richtung auf die Propellerwelle (17) gesehen, in Stromfadenrichtung.

9. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaus­ trittsöffnungen (21) ca. einen Propellerdurchmesser stromabwärts von den Propellerblättern (15) liegen.

10. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller­ welle (13) über die Stelle, an der die Gasaustritts­ kanäle (20) in sie münden, hinaus verlängert und vorzugsweise mit einem verjüngten Abschlußteil (18) versehen ist.

11. Belüftungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die radiale Länge der Propellerblätter (15) größer oder gleich ihrer doppelten Tiefe in Strömungsrichtung (22) ist.