DE4335483C2

DE4335483C2 - Spiralwirbelvorrichtung

Info

Publication number: DE4335483C2
Application number: DE4335483A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2013-10-19
Also published as: CA2118263A1; EP0657206A1; ATE164326T1; DE59405522D1; DE4335483A1; US5544952A; ES2115130T3; EP0657206B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiralwirbelvorrichtung zum gezielten Erzeugen von spiralförmigen Strömungen, in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Herkömmliche Misch- und/oder Rührvorrichtungen haben, bei spielsweise, als Ziel, eine gründliche Vermischung einer Flüssigkeit, der entweder ein Gas, eine weitere Flüssig keit oder eine Festsubstanz unterzumischen ist, zu errei chen, ohne daß es dabei jedoch auf den konkreten Verlauf der Mischbewegung ankommt.

So offenbart, beispielsweise, die US 4,009,005 eine Mischvorrichtung, die mittels eines Propel lers einen Vortizes aufweisenden Strom, nämlich eine schnell durchwirbelnde, turbulente Strömung, erzeugt, wäh rend, beispielsweise, die Druckschrift DE 18 01 626 C3 eine Mischvorrichtung beschreibt, in welcher mittels eines Laufrads zwei im wesentlichen gegenläufige Strömungen auf grund der Dimensionierung der Mischvorrichtung erzeugbar sind, die sich zwecks intensiver, Turbulenzen erzeugender Vermischung längs einer ausreichend lang bemessenen Strecke berühren.

Bei einer Spiralwirbelvorrichtung der eingangs genannten, herkömmlichen Art, wie, beispielsweise, in den Druck schriften EP 0 134 890 B1 oder DE 37 38 223 A1 offenbart, wird Wasser in den Außenbehälter gebracht und über die Saugwirkung, die durch einen innerhalb des Außenbehälters und unterhalb der unteren Öffnung des Innenbehälters an geordneten, durch die Antriebswelle rotierten, eine Zen tripetalkraft und einen Unterdruck hervorrufenden Accele rator erzeugt wird, in eine genau definierte Strömungsbahn gelenkt, so daß das Wasser spiralförmig in dem Zwischen raum zwischen Außenbehälter und Innenbehälter aufsteigt, bis es am Umlenkmittel reflektiert wird, wobei das Umlenk mittel so ausgeformt ist, daß das Wasser in entgegenge setzter Richtung in Spiralform den Innenbehälter von oben nach unten durchströmt. Die Fließgeschwindigkeit des Was sers nimmt dabei ständig zu, da an die unter Schwerkraft einwirkung und in Abhängigkeit von der gewählten Form des Außen- sowie Innenbehälters erzeugten Spiralwirbel durch das mechanische Umrühren im Innenbehälter zusätzlich Kräf te infolge des dabei entstandenen Unterdrucks angelegt werden. Dabei bilden sich im Verlauf einer Spiralbahn Strömungsschichten mit ständig abnehmenden Schichtdicken, wobei in zwei benachbarten Strömungsschichten unterschied liche Fließgeschwindigkeiten herrschen. Aufgrund des somit vorhandenen Geschwindigkeitsgradienten entstehen im Berüh rungsbereich dieser Strömungsschichten Turbulenzkeime, so daß dort Mikrowirbel abreißen, die dem Wasser eingelagert werden. Auf diese Weise wird eine Wasserdynamik erzeugt, die der in der Natur, beispielsweise, in Flüssen durch Kurven, Windungen, Verkleinerungen des Flußbetts, plötzli che Gefälle oder dergleichen, insbesondere in Stromschnel len, herrschenden Wasserdynamik ähnlich ist.

Bei den bekannten Verwirbelungsvorrichtungen ist jedoch nachteilig, daß sie mit antreibbaren Propellern, Wirbel tellern, Pendelscheiben oder dergleichen ausgerüstet sind, was den Aufbau kompliziert und somit kosten- sowie ar beitsintensiv werden läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spi ralwirbelvorrichtung der eingangs genannten Art zu lie fern, die die obengenannten Nachteile überwindet, nämlich eine Spiralwirbelvorrichtung mit einem einfachen Aufbau, der zusätzlich eine besonders schonende und gleichförmige Energieeinleitung in eine Flüssigkeit ermöglicht, zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wurde durch eine gattungsmäße Spiralwirbelvorrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spiral wirbelvorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 24 beschrieben.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch Drehung des Außenbehälters, während der Innenbe hälter feststeht, oder vice versa, eine ähnliche Wasser dynamik wie beim Durchströmen eines sich windenden Fluß bettes entsteht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der zwei Ausfüh rungsformen der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungs form einer Spiralwirbelvorrichtung gemäß der Erfindung mit drehbarem Außenbehälter;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Halterung des In nenbehälters der Spiralwirbelvorrichtung von Fig. 1; und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Spi ralwirbelvorrichtung mit drehbarem Innenbe hälter.

Den Fig. 1 und 2 ist der prinzipielle Aufbau einer Aus führungsform einer Spiralwirbelvorrichtung gemäß der Er findung zu entnehmen, bei welcher sich ein im wesentlichen ellipsoid ausgeformter, eine sanfte Wirbelbildung fördern der Außenbehälter 10 um einen konzentrisch in demselben angeordneten, eine hyperbolische Trichterform aufweisenden Innenbehälter 20 dreht. Dabei ist das schmalere Trichte rende des Innenbehälters 20 im unteren Bereich des Außen behälters 10, der einen kleineren Durchmesser als der obe re Bereich des Außenbehälters 10 aufweist, angeordnet.

Ein Zuführungsrohr 30 mit einem Ventil 31 ist außerhalb des Außenbehälters 10 mit einem nicht gezeigten Haltearm verbunden und dringt feststehend über eine nicht gezeigte Gleitdichtung in den drehbaren Außenbehälter 10 ein, so daß durch eine Öffnung 32 Wasser in die Spiralwirbelvor richtung einfüllbar ist. Mit dem Rohr 30 sind, beispiels weise, wie in Fig. 2 dargestellt, vier sich im wesentli chen radial ausbreitende Stangen 33 verbunden, die äquidi stant von innen an den Innenbehälter 20 angreifen, um die sen zu fixieren. Die vier gegen den Innenbehälter 20 drückenden Stangen 33 werden mittels eines Ringes 34, der konzentrisch zu dem Rohr 30 und im wesentlichen oberhalb der Trichteröffnung des Innenbehälters 20 mit großem Durchmesser angeordnet ist, stabilisiert. An dem Ring 34 sind auch, beispielsweise, vier Umlenkbleche 35 äquidi stant angebracht, die in Draufsicht eine Bogenform aufwei sen, wie Fig. 2 zu entnehmen.

Der Außenbehälter 10 ist an seinem unteren Ende mit einer Antriebswelle 40 verbunden, die über einen nicht gezeigten Motor antreibbar ist, um den Außenbehälter 10 vorzugsweise ungefähr 300 bis 400 mal pro Minute um den Innenbehälter 20 zu drehen.

Über eine nicht gezeigte Gleitdichtung dringt ein Abfluß rohr 50 samt Ventil 51 von unten in den drehbaren Außen behälter 10 ein, während das Abflußrohr 50 selbst über einen nicht gezeigten Haltearm fixiert ist. Dabei ist das Abflußrohr 50 ebenso wie das Zuführungsrohr 30 konzen trisch zur Drehachse des Außenbehälters 10 angeordnet.

Fig. 3 stellt als Alternative zu der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform eine erfindungsgemäße Spi ralwirbelvorrichtung dar, bei welcher ein Außenbehälter 100 in seiner Ruhelage fixiert ist, während ein in dem Außenbehälter 100 konzentrisch angeordneter, trichter förmiger Innenbehälter 200 drehbar ist. Dabei weist der Außenbehälter 100 wieder im wesentlichen eine Ellipsoidform auf, die eine sanfte wirbelartige Bewegung von in dem Außenbehälter 100 gespeicherten Wasser fördert und dessen Ende mit dem kleineren Durchmesser unten ange ordnet ist, wobei das Trichterende des Innenbehälters 200 mit dem kleineren Durchmesser auch im unteren Bereich der Spiralwirbelvorrichtung plaziert ist.

Konzentrisch zur Drehachse des Innenbehälters 200 ist ein Zuführungsrohr 300 angeordnet, das außerhalb des Außenbe hälters 100 über einen nicht gezeigten Haltearm fixiert wird und ein Ventil 310 aufweist. Das Zuführungsrohr 300 dringt in den Außenbehälter 100 ein, durchquert denselben fast und weist im unteren Bereich der Spiralwirbelvorrich tung eine Öffnung 320 auf, durch welche Wasser in den Au ßenbehälter 100 einfüllbar ist.

Im oberen Bereich der Spiralwirbelvorrichtung sind kurz oberhalb der Trichteröffnung des Innenbehälters 200, im wesentlichen zwischen dem Außenbehälter 100 und dem Innen behälter 200 Umlenkbleche 350 angeordnet, von denen in der Fig. 3 lediglich zwei dargestellt sind. Die Umlenkbleche 350 sind außerdem fest mit dem Außenbehälter 100 verbun den.

Konzentrisch zu dem Zuführungsrohr 300 ist eine Antriebs welle 400 angeordnet, die über eine nicht gezeigte erste Gleitdichtung mit dem ruhenden Außenbehälter 100 und über eine nicht gezeigte zweite Gleitdichtung mit dem ruhenden Zuführungsrohr 300 verbunden ist. Die Antriebswelle 400 ist an ihrem einen Ende mit einem nicht gezeigten Motor verbindbar und an ihrem anderen Ende mit dem unteren, den kleineren Durchmesser aufweisenden Ende des Innenbehälters 200 verbunden, den sie vorzugsweise 300 bis 400 mal pro Minute um seine Längsachse dreht. Dabei sind längs des Kreisumfangs der Verbindung zwischen der Antriebswelle 400 und dem Innenbehälter 200 Öffnungen 420 vorgesehen, von denen in Fig. 3 zwei dargestellt sind, durch die das Wasser aus dem Trichter des Innenbehälters 200 in den Zwischenraum zwischen dem Außenbehälter 100 und dem Innenbehälter 200 fließen kann.

Fest mit dem unteren Ende des Außenbehälters 100 verbunden und konzentrisch zur Drehachse des Innenbehälters 200 an geordnet befindet sich ein Abflußrohr 500 mit einem Ventil 510.

Die vorstehend beschriebenen Spiralwirbelvorrichtungen gemäß der Erfindung arbeiten wie folgt:

Beim erstmaligem Füllen des Außenbehälters 10 oder 100 mit zu behandelndem Wasser wird unbehandeltes Wasser der Spi ralwirbelvorrichtung über das Zuführungsrohr 30 oder 300, wie mit einem Pfeil in Fig. 1 bzw. 3 symbolisiert, zuge führt. Gegebenenfalls kann auch kontrolliert kontinuier lich über das Ventil 31 oder 310 Wasser in den Außenbehäl ter 10 oder 100 eingefüllt werden, wobei die Steuerung des Ventils 31 oder 310 abhängig von der Durchflußrate der entsprechenden Spiralwirbelvorrichtung geschieht.

Im Betrieb findet eine Relativdrehbewegung zwischen dem Außenbehälter 10 oder 100 und dem Innenbehälter 20 oder 200 statt. Dabei wird bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 der Außenbehälter 10 über die Antriebswelle 40 um den festgehaltenen Innenbehälter 20 gedreht, während bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 der Innenbehälter 200 über die Welle 400 innerhalb des ruhenden Außenbehäl ters 100 gedreht wird.

Flieh- und Reibkräfte, die durch die Relativbewegung zwi schen dem Außenbehälter 10 oder 100 und dem Innenbehälter 20 oder 200 erzeugt werden, sorgen dafür, daß sich im un teren Bereich des Außenbehälters 10 oder 100 befindendes Wasser dazu veranlaßt wird, spiralförmig im Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter 20 oder 200 und dem Außenbehäl ter 10 oder 100 nach oben aufzusteigen. Sobald die auf steigende Strömung, die aufgrund der Geometrie der beiden Behälter 10 oder 100, 20 oder 200 recht gleichförmig ist, in Wechselwirkung mit den Umlenkblechen 35 oder 350 kommt, findet eine Richtungsumkehrung der Strömung statt, ohne daß zusätzliche Turbulenzen im Wasser entstehen, so daß eine nach unten gerichtete spiralförmige Strömung mit ent gegengesetztem Drehsinn in dem Innenbehälter 20 oder 200 mit kontinuierlich steigender Fließgeschwindigkeit ver läuft.

Die oben beschriebene und im wesentlichen durch eine bo genförmige Kontur der Umlenkmittel 35 oder 350 eingeleite te Richtungsumkehrung geschieht nur dann ohne die Erzeu gung zusätzlicher, unerwünschter Turbulenzen, wenn die Geometrie der Spiralwirbelvorrichtung, sei es bei der Aus führungsform gemäß den Fig. 1 und 2 oder bei der gemäß der Fig. 3, die Drehgeschwindigkeit des Außenbehälters 10 oder 100 relativ zu dem Innenbehälter 20 oder 200 sowie der Wasserzufluß und der Wasserabfluß genau aufeinander abgestimmt sind.

Aufgrund des in der spiralförmigen Strömung herrschenden Geschwindigkeitsgradientens kommt es dann, wie bereits beschrieben, zur gewünschten naturgetreuen Wasserdynamik aufgrund der Entstehung von Mikrowirbeln. Über das Abfluß rohr 50 oder 500 kann das so behandelte Wasser schließlich entnommen werden, wobei das Ventil 51 oder 510 eine genau dosierte Entnahme ermöglicht.

Zum genauen Kontrollieren der Durchflußrate des Wassers können die Ventile 31 oder 310, 51 oder 510 in dem Zufüh rungsrohr 30 oder 300 sowie dem Abflußrohr 50 oder 500 über einen nicht gezeigten Mikroprozessor steuerbar sein. Zu diesem Zweck ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ventile 31 oder 310, 51 oder 510 Magnetventile sind. Na türlich kann auch die Antriebswelle 40 oder 400 mit Hilfe eines Mikroprozessors gesteuert werden.

Die konkrete Wasserdynamik hängt dabei von der jeweiligen Wirbelstruktur ab, die ihrerseits von der Dimensionierung sowie Plazierung der einzelnen Komponenten, insbesondere des Außenbehälters 10 oder 100, des Innenbehälters 20 oder 200 und der Umlenkbleche 35 oder 350, der Umdrehungszahl bei der Relativbewegung zwischen den beiden Behältern 10 oder 100, 20 oder 200 sowie, gegebenenfalls, der Durch flußrate abhängt.

Dadurch, daß anstelle der Verwendung eines antreibbaren Mittels, wie ein Propeller, ein Wirbelteller oder eine Pendelscheibe, zum Erzeugen der gewünschten Wirbelstruktur das Drehen des kompletten Außenbehälters 10 bzw. Innen behälters 200 verwendet wird, liegt einerseits ein sehr einfacher Aufbau und andererseits, im wesentlichen auf grund des über die komplette Höhe erzeugten Geschwindig keitsgradienten, eine besonders schonende und gleichför mige Energieeinleitung in eine zu behandelnde Flüssigkeit sowie eine naturgetreuere Spiralwirbelbildung in der be handelten Flüssigkeit als bei den bekannten Vorrichtungen vor. Ferner erzeugt eine erfindungsgemäße Spiralwirbelvor richtung eine derart gleichförmige Strömung, daß sogar ein kontinuierlicher Betrieb, in welchem die Vorrichtung nicht aufgefüllt, betrieben und wieder entleert werden muß, son dern kontinuierlich Wasser zu- und abströmen kann, möglich ist.

Claims

1. Spiralwirbelvorrichtung zum gezielten Erzeugen von spiralförmigen Strömungen in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser, mit

- einem rotationssymmetrischen Außenbehälter,
- einem rotationssymmetrischen Innenbehälter, der zentral in dem Außenbehälter angeordnet ist und ein unteres und ein oberes offenes Ende aufweist,
- einer Antriebswelle und
- mindestens einem feststehenden Umlenkmittel im oberen Bereich des Außenbehälters über dem oberen offenen Ende des Innenbehälters,

dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (40, 400) entweder den Außenbehälter (10, 100) antreibt, wobei der Innenbehälter (20, 200) festgehalten wird, oder den Innenbehälter antreibt, wobei der Außenbehälter festgehalten wird, wobei im Falle des angetriebenen Außenbehälters eine aufsteigende, spiralförmige Strömung entsteht, die durch Wechselwirkung mit dem Umlenkmittel (35, 350) in ihrer Richtung umgekehrt wird und dann innerhalb des Innenbehälters in umgekehrter Richtung drehend spiralförmig absteigt, und wobei im Falle des angetriebenen Innenbehälters die Strömungen in entgegensetzten Richtungen verlaufen.

2. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (10, 100) im wesentlichen ellipsoid ist, wobei er in seinem unteren Bereich einen kleineren Innendurchmesser als in seinem oberen Bereich aufweist.

3. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (20, 200) im wesentlichen trichterförmig ist, wobei der Innenbehälter (200) insbesondere hyperbolisch ausgebildet sein kann.

4. Spiralwirbelvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Innenbehälters (20, 200) mit kleinstem Durchmesser im Bereich des Außenbehälters (10, 100) mit kleinstem Durchmesser liegt, wobei, im Betrieb, besagte Bereiche mit kleinsten Durchmessern am unteren Ende der Spiralwirbelvorrichtung angeordnet sind und die Längsachse des Außenbehälters (10, 100) mit der Längsachse des Innenbehälters (20, 200) zusammenfällt.

5. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das (die) Umlenkmittel in der Form von Umlenkblechen (35, 350) ausgebildet ist (sind), wobei der Querschnitt eines Umlenkbleches (35, 350) bogenförmig ist.

6. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich zu behandelnde Flüssigkeit über ein Zuführungsrohr (30, 300) zuführbar und behandelte Flüssigkeit über ein Abflußrohr (50, 500) abführbar ist.

7. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszufuhr über ein erstes Ventil (31, 310) in dem Zuführungsrohr (30, 300) und/oder der Flüssigkeitsabfluß über ein zweites Ventil (51, 510) in dem Abflußrohr (50, 500) regelbar ist.

8. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (10, 100) relativ zu dem Innenbehälter (20, 200) 1 bis 1500 Umdrehungen pro Minute macht.

9. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (10) fest mit der Antriebswelle (40) verbunden ist, während der Innenbehälter (20) über eine Halterung (30, 33, 34) in seiner Ruhelage fixiert ist.

10. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsrohr (30) sowie das Abflußrohr (50) über eine dichte Verbindung in den drehbaren Außenbehälter (10) gelangen.

11. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (30, 33, 34) das Zuführungsrohr (30) umfaßt.

12. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkbleche (35) an der Halterung (30, 33, 34) befestigt sind.

13. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsrohr (30) konzentrisch zur Drehachse des Außenbehälters (10) angeordnet und mit sich radial verlängernden Stangen (33) verbunden ist, die an die Innenseite des Innenbehälters (20) angreifen.

14. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (33) von einem Ring (34) stabilisiert werden, an dem die Umlenkbleche (35) angebracht sind.

15. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (200) fest mit der Antriebswelle (400) verbunden ist, während der Außenbehälter (100) fixiert ist.

16. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsrohr (300) sowie das Abflußrohr (500) fest mit dem Außenbehälter (100) verbunden sind.

17. Spiralwirbelvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkbleche (350) fest mit dem Außenbehälter (100) verbunden sind.

18. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (400) parallel und/oder konzentrisch zu dem Zuführungsrohr (300) verläuft.

19. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (400) mit dem Innenbehälter (200) an dessen schmalem Trichterende verbunden ist, wobei zwischen der Antriebswelle (400) und dem Innenbehälter (200) Öffnungen (420) bereitgestellt sind.

20. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsrohr (30, 300) und das Abflußrohr (50, 500) an dem gleichen Ende oder an sich gegenüberliegenden Enden der Spiralwirbelvorrichtung angebracht sind.

21. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (40, 400) mit einem Keilriemen, einer Handkurbel, einem Motor oder dergleichen verbunden ist.

22. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (10, 100) in einer Schutzumhüllung angeordnet ist.

23. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (10, 100) und/oder der Innenbehälter (20, 200) aus einem transparenten Material, wie Glas, besteht.

24. Spiralwirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (10, 100) und/oder der Innenbehälter (20, 200) aus Ton, Keramik und/oder Porzellan besteht.