DE6949520U - Vorrichtung zum begosen und umwoelzen von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten z.B. von Belebtschlamm in Kläranlagen,und besteht aus einem vorzugsweise axialen Pumpenlaufrad und einem Turbinenlaufrad, welches mit senkrechter Drechachse in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist.

Oberflächenbelüfter erreichen den hohen Gaseintrag durch ununterbrochene und rasch aufeinanderfolgende Neubildung der gasaustauschenden Grenzflächen an der Flüssigkeitsoberfläche. Die Bewegung der Flüssigkeit sorgt gleichzeitig für die Durchmischung und verhindert in verschiedenen Anwendungsfällen z.B. bei "Belebtschlamm in Kläranlagen die Ablagerung von Feststoffen.

Es gibt reine Umwälzvorrichtungen auf dem Prinzip von Propeller-Rührwerlcen und solche mit radial oder halbradial durchströmten Pumpenlaufrädern sogenannte Kreisel, entweder mit teilbeaufschlagten Schaufeln oder mit voll durchströmten Kanälen oder mit Schlagleisten. Außerdem sind mit horizontaler Achse Begasungsbürsten sowie rotierende Scheiben bekannt. die teilweise in die Flüssigkeit eintauchen. Zu erwähnen sind auch Begasungseinrichtungen bei welchen eine zusätzliche Gaseintragung durch unter Druck eingeführtes Gas innerhalb der Begasungsvorrichtung vorgenommen wird.

Alle diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß die Umwälzung der Flüssigkeit und die beabsichtigte Gaseintragunfdurch eine einzige Vorrichtung hervorgerufen wird.

Bei der gestellten Aufgabe der Gaseintragung in Flüssigkeiten wurde bisher sehr viel Sorgfalt auf die Ausbildung der reinen Gaseintragungsorgane gelegt, während offensichtlich die Größe der für die reine Strömungtenötigten Pumpleistung nicht gleichermaßen berücksichtigt wurde. Die umfangreichen Unterauchungen dieses Problems zeigen nämlich daß für die Aufrechterhaltung der Strömungsenergie nur ein Bruchteil der

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bei solchen Vorrichtungen installierton elektrischen Leistung benötigt wird.

Bei der Betrachtung des reinen Förderproblems stellt ein Pumpenfachraann fest, daß mit den bisher benutzten Fördereinrichtungen kein optimaler Pumpenwirkungsgrad erreicht werden kann. Die Volumenströme und die geringen Förderhöh en verlangen ein axiales Pumpenlaufrad ggf. mit sorgfältig ausgewählten Leitvorrichtungen sowie Ein- und Auslaufkörpern.

Es ist bereits eine Begasungsvorrichtung bekannt bei der ein axiales Pumpenlaufrad eine Sprühdüse beaufschlagt durch welche die Flüssigkeit in einen Gasraum versprüht wird. Die Vorrichtung ist vorzugsweise für den Einsatz bei Trinkwasseranlagen oder anderen vorgereinigten Flüssigkeiten geeignet. Die Zulaufverhaltnisse zur Pumpe und vor allem die Versprühunseinrichtung sind jedoch so ausgebildet daß der leistungsbezogene Wirkungsgrad des Gaseintrags nicht optimal sein kann.

Außerdem ist in der deutschen Patentschrift 934 o43 ein Mischer zum Wischen von Gasen und Flüssigkeiten beschrieben welcher mit Hilfe zweier gekoppelten in entgegengesetzter Richtung fördernden Schraubenschauflern die Flüssigkeit zum Begasen über die Oberfläche verspritzt und mit Hilfe des zweiten Schraubenschi-uflers unmittelbar von der Oberfläche absauft und in den unteren Bereich des Flüssigkeitsvolumens abführt. Bei diesem I.Iischer fällt der über die Oberfläche gepumpte Flüssigkeitsstrom glockenartig aus dem zentrischen Führungskörper 0 auf die Flüssigkeitsoberfläche zurück. Der Wirkungsgrad des Gaseintrags derartiger Einrichtungen wird allerdings von dem der umlaufenden Kreisel übertroffen bei denen die Flüssigkeitsglocke in einzelne Strahlen zerlegt ist und / oder bei denen diese Strahlen selbst eine rotierende Bewegung um die vertikale Achse ausführen.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen die eigentliche Aufgabe der Umwälzung und Begasung in zwei Aufgaben zu trennen und jeweils durch eine weitgehend optimal wirkende Vorrichtung zu lösen.

Pur den beschriebenen Anwendungsfall wird daher erfindungsgemäß die Flüssigkeit durch eine Pumpe die in einem günstigen Bereich ihres '.Virkungsgrades arbeitet umgewälzt und in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche durch ein-Turbinenlaufrad mit senkrechter Achse und annähernd radialen Kanälen über die Flüciji ;keitsoberflache verteilt.

Dem Anwendungsfall entsprechend wird vorzugsweise eine Pumpe mit axialem Laufrad welche z.B. mit Hilfe des Cordier-Diagramms optimal ausgelegt ist benutzt. Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt.

Fig 1 und Fig 2 zeigen senkrechte Schnitte durch zwei der möglichen Ausbildungsformen.

In Pig 1 ist ein axiales Pumpenlaufrad (1) über eine Antriebswelle (2) mit dem Antriebsmotor (3) verbunden

( ^L<)
welcher -ich auf der Brücke abstützt die das Becken (3) und die flüssigkeit (23) überspannt. Im Turbinenlaufrad unterteilen die annähernd senkrechten Wände (6) den ringförmigen Raum zwischen dem Oberteil (7) und dem Unterteil (8) in annähernd radiale Kanäle deren Anstellwinkel gegen den Radius durch Einstellelemente (j) gewählt v/erden kann. Das Turbinenunterteil (u) bildet gleichzeitig das Ansaugrohr (1o) für das Pumpenlaufrad (1). Lie Länge des Ansaugrohres ist bei Verwendung eines Turbinenhubwerkes mindestens auf die Relativbewegung (11) zwischen Pumpe und Turbine durch den Hub", abgestimmt. Das Turbinenoberteil (7) stützt sich beispielsweise über Lagerelemente (12) gegen die Antriebswelle (2) ab. ⁷Vj." Turbine ict mittels=¹- «ir.^p Vor¹ ircur <?-

- Peite 4 -

rohres (13) und einer ^rehverbindun- (14) drehbar an e'er (4) beziehun-sweise am hubwerk befpsti-t. ~>as Hubwerk brstrht beispielsweise aus einem inneren (15) und ^:i.u^p>eren (1Γ) ntützrin", die sich -e-enseiti - durch rollende oder -leitende Htützelemente (17) bewn~pn können. "Her innere P.tützrin* (15) wird durch Cpindelmuttern (13) und Tpindeln (10) an der "rücke -ehalten. ¹^rCh den '•emeinsamen Antrieb über einen "^Tubnotor (2o), "ottenrader (21) und ^T-^rette (22) oder ähnliche T.lemente wird der innere Ptützrin-(15) und damit die Turbine an-ehoben oder r,V enenkt.

In Pi. · 2 ist zwischen dem ar i al on "Turn rnl->uf rad ("¹A) und den radi ^len Turbinenlaufrad (?5) ein Umlenkkörper mit einem Oberteil (2C) und einem Unterteil (Γ7), (U^ mittrln rte-en (28) niteinander verbunden sind, angeordnet, "er Unlenkkörver bildet hier dar Gehäuse für das ^umpenlaufrr>d (°4) und ci^nt leichzeiti für eine ~e*cl enenfnlls vor ersehene Leitvorrichtung (2Q). ""ar Turbinenlaufrad (25) ist wiederum mit ei^em Verl i^cun-crohr (3o) und. einer rrehvorbir.dun ■ (?1) rr, der "rücke (?°) befccti-t.

Per "-,rfindun-c-e-enstand weist -o enül er '¹OV- bekⁿr.rtnn "reinoln neue wesentliche T'erkmale auf, di" nußer dnn wirkur "R "rad bezo-enen Tetri^bnkonten nuch die A.nla "er kor ten

Tie Freisel arbeiten in \bh^;inikeit von ihrer ^röße und ^Treir;tun · bei durchschnittlichen "r^haahlen von 4o bis 1oo Umdrohun -en / T'inute. T»as betriebe zwischen ^T'otor wrr "reine] int meint zwei- oder mehrstuli und beansprucht etwa 4o Via 7o der -esamten \nln.'^-orkorten. "ach dem "!rfindun ~n edanken wird nun dan Pumpenlaufrad mit " ~r ^T*otordrohsahl direkt oder aber über ein nur eintiti. '. es '"ew i'-l:e an etriebnn, no daß dps Optriebe zwischen ?^Totor und Pumponlnufrad völli · oder weni"sten die teure zweite und dritte detriebestufe entfallen kann.

Das Konstruktionselement, welches für den ei "entlichen T"onsun-s vor^anf sor~t, ist nach dem Krfindun ο-edanken das Turbinenlaufrad; dessen T>rehzahl aber wird nicht motorisch und mechanisch sondern allein hydraulisch fest ele -t. Durch 'Vahl

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des ~eei -neten Anstellwinkeln zwischen Ζβλ annähernd senkrechten Kanalwänden und dem Radius in der '"ihe des Umfan -s kann ,iede beliebige Drehiahl erreicht werden, z.~. auch die bei Kreiseln üblichen Drehzahlen.

^Tn einer speziellen Form der Turbine können din annähernd senkrechten Kanalwände an ihren äußeren Enden bcwe~lich °us ebildet sein, so daß sich der Anstellwinkel -e-obenenfalls mit Hilfe von Kinstellelementen auch noch nachträ-lich an die BetriebsbedinTin-en anpassen läßt.

Vielfach wird in der ^rarir. verlangt, die ^TIöhe der Be^ vorrichtun- wahrer/¹ des Pctriebs zu verstellen. Hirrfür wird oft die ~anze ^ er ■ v:\ -svorrichtun- mittels eines Hubwerke · ■ ^ oder durch ein' verschiebbares ⁿ>onder;-etriebe an~ehobr>n und abgesenkt, !!ach dem tr.rfindLin^r-s-edanken bleibt die Pumpe stets in der -leichen Höhenln-"e. ""ur das Turbinenlaufrad, welchen i·.-. manchen 'vusführun^rT5formnn -loichseiti'- das ^uinpen-.fehäuse eir.nchließlich der Einlauf- und Auslauföffnun-cn bildet, ist nach Bedarf höhenverstellbar. Dadurch wird das Hubwerk ~e,~env>^r der herkömmlichen Ausführun" wesentlich leichter und billiger.

In einer wjiteren Ausführun- ir.-¹- vor dom Turbinenlr .if rad ein besonderer TJmler.!:;:örper an-eordn^t, welcher dio vor. der Pumpe axial zuströmende ?lüsci--kcit σο umlenkt, daß sie die Turbine annähernd radial boaufsohla-t. Der Umlenklcörper kann entweder feststehen odor in andere¹"¹ \usführun~on mit dem Pumpenlaufrad oder dem Turbinenlaufrad umlaufen. Insbesondere aber kann er -.as Gehäuse für das PurapenlaufvacT bilden. ^fvuch ein Hubv/crk kann in den verschiedenen P.auformen entv/eder auf den Umlenk= körper oder auf das Turbinenlaufrad oder auf beide Teile wirken,

'^ dem tJmlenkkörper kann außerdem vorteilhaft eine feststehende leitvorrichtun;;sarti -c Peschauf elunr zurVorbesserun"· des ".'irkun-s-rades an-eordnrt sein und zwar unter umständen r,o

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nahe am Pumpenlaufrad, daß es zwischen den Schaufeln der Leitvorrichtung i^nd des Pumpenlaufrades zu einem Schneidevor-!ankommt, falls faseri e Bestandteile in der Flüssigkeit enthalten sind. Pie -e-enüberlie-enden Ka nten der Schaufelkränze sind hierfür vorteilhaft mit Schneideleisten versehen.

Eine kritische Größe bei Kreiseln ist bei einzelnen Anwendun-sfallen,zum Beispiel bei Belebtschlamm in Kläranla~on,die Strömungsgeschwindigkeit, unter deren Einfluß die Belebtschlammflocke zerstört v/ird. Aus diesem Grund v/erden bei relebtnchlamm-AnIa"-en -ewisse Grenz -oschwindi keiten nicht überschritten. Pei der Be_;-asun-svorrichtun- nach dem Erfindun-s-edanken können vorteilhafterweise die Umdrehung-oschwindi-keiten vom Pumpenlaufrad und Turbinenlaufrad rleich-roß _und unterhalb der kritischen Grenz-cschwincli'-keit lie-end eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Be-asun "svorrichtun_:- nach dem Erfindun-s-edanken auch dafür ein-esetzt werden, um die noch weni" erforschten -enauon Werte der kritischen Grenz-eschwindi -keiten zu messen.und die verschiedenen Einflüsse auf die Be-asun- innerhalb des komplexen Vor-an-s der -leichzeiti-en ümwälzun- und Grorrflächenbeschaffun- zu erkennen. Durch die Wahl eines bo.ntimnten Betriebspunktes für den Pumpvor-an_;- und v^r^:l::flerMcjpr "ptriebsbndin.-Tin" für die Be.'tasunr: kann außerdem die wirkliche optimale Größe der Be_;-a sun-seinlicit fest "es teilt werden. Erfindun;'-s.-emäß wird daher ein Verfahren zur Be-asun;· und Umwälzun,- von Plüssi keiten in der Art vor-eschla-en, daß die Drehzahlen der Pu*pe und Turbine so eingestellt werden, daß sowohl für die Pumpe als auch für den Gaseintra,- durch die Turbine ein optimaler Wirkun-srrad erreicht v/ird.

Claims (11)

Ansprüche

1) Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche ein Turbinenlaufrad (Segner'sches V/asserrad) mit senkrechter Drehachse und mit annähernd radialen Kanälen angeordnet ist.

2) Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet da3 eine Pumpe mit axialem Laufrad deren Förderleistung zum Beispiel mit Hilfe des Gordier-Diagramms optimal ausgelegt ist, das Turbinenlaufrad beaufschlagt.

3) Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet daß in der Turbine der Anstellwinkel zwischen den annähernd senkrechten Kanalwänden und dem Radius in der Nähe des Umfangs durch Einstellelemente fixierbar ist.

4) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet daß die Kanäle auf mindestens einer Längsseite offen sind.

5) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet daß das Turbinenlaufrad das Gehäuse für das Pumpenlaufrad bildet.

6) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet daS zwischen axialem Pumpenlaufrad und radialem Turbinenlaufrad ein feststehender oder umlaufender, im wesentlichpn unbeschaufelter Unlenkkörper mit axialer Zuströmung und radialer Abströnung angeordnet ist.

7) Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet daß der UrI c; nick ör per das Gehäuse für das Pumpenlaufrad bildet.

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8) Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet daß eine Leitvorrichtung am Uialenkkörper angeordnet ist.

9) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet daß das Turbinenlaufrad und / oder der Umlenkkörper höhenverstellbar ist.

mittels einer Pumpe und einer Turbine nach Ansprüche 2 bis 9. dadurch gekennzeichnet^tfaß die Umdrehungsgeschwindigkeiten von Pumpernd Turbine an ihrem Umfang jeweils gleich

11) Verfahren zum Begasen unflt^Umwälzen von llüssigkeiten mittels einer Punme^und einer Turbine nach einem der Ansprüche 2 b>e 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehung-sgeschwindigkeiten von Pumpe und Turbine jeweils nach dem optimalen Wirkungsgrad der Pumpe b₍zw. Gaseintrags

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