EP1945337B1

EP1945337B1 - Wirbelkammer

Info

Publication number: EP1945337B1
Application number: EP06774748A
Authority: EP
Inventors: Frank Jacobs; Hans-Jürgen Diehl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: EP1945337A1; CN101267877B; ATE424247T1; AT502016B1; DE502006003035D1; US20090121365A1; AT502016A4; WO2007022555A1; CN101267877A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelkammer zum Erzeugen von Turbulenzen in einem durchfließenden Medium, mit einer Eintrittsöffnung, einer Austrittsöffnung und mindestens zwei Verengungen in ihrem Querschnitt, wobei im Bereich der Verengungen das Innenprofil der Wirbelkammer im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse die Form von Wellenbergen aufweist.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Anreicherung eines flüssigen Mediums mit einem gasförmigen Medium, insbesondere zur Zufuhr von Sauerstoff bei der Wasseraufbereitung, umfassend einen Injektor für die Gaszufuhr, eine dem Injektor vorgeschaltete Wirbelkammer mit mindestens einer Verengung in ihrem Querschnitt und eine dem Injektor nachgeschaltete Wirbelkammer mit mindestens einer Verengung in ihrem Querschnitt, wobei im Bereich der Verengung das Innenprofil der nachgeschalteten Wirbelkammer im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse die Form eines Wellenberges aufweist
Derartige Vorrichtungen werden bevorzugt in der Abwassertechnik zur Reinigung von Wasser und zur Trinkwasseraufbereitung eingesetzt. Dabei wird dem Wasser über einen Injektor Ozon zugeführt, das mit im Wasser enthaltenen Schadstoffen, festen Bestandteilen, Schwebepartikel, etc. oxidieren soll. Jedoch eignet sich eine derartige Vorrichtung ganz allgemein dazu, eine Flüssigkeit mit einem Gas zu versetzen, um dadurch eine gewünschte Reaktion im flüssigen Medium zu bewirken.
Die DE 43 14 507 C1 offenbart einen Injektor bzw. Mischer für Flotationseinrichtungen, wie Fasersuspensionen, bestehend aus zwei zueinander gerichteten Injektorplatten. Diese weisen in Strömungsrichtung wiederholt Erhebungen auf, die Verengungen des Durchflussquerschnittes bewirken. In einer Ausführung werden die Erhebungen zum Austrittsende hin immer kleiner, während der Abstand benachbarter Erhebungen entsprechend größer wird. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung keine optimalen Mischergebnisse liefert und insbesondere der Druckabfall zwischen Eintritt und Austritt verhältnismäßig groß bleibt.
Die DE 34 22 339 A1 offenbart ein Verfahren zum Mischen von Strömungsmitteln, bei dem ein bandförmiger Flachstrahl aus einer Schlitzdüse ausgetrieben wird und mit einem zweiten Flachstrahl vereint wird. In dem in Strömungsrichtung nachfolgenden Mischrohr ändert sich der Durchmesser des Strömungsquerschnitts durch allmähliche Verengungen und Erweiterungen in festen Abständen in Axialrichtung. Ähnlich wie beim Injektor vorangegangener Druckschrift zeigen sich die nicht optimale Durchmischung und der Druckabfall als nachteilig.
Die EP-A-0256965 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hydrodynamischen Mischen.
Die US 6,673,248 B2 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von Wasser durch Eliminierung von darin enthaltenen Bakterien mittels Zufuhr von Ozon in einen Injektor. Dem Injektor nachgeschaltet ist eine rohrförmige Mischkammer, deren Querschnitt durch normal zur Strömungsrichtung angeordnete Prallbleche lokal stark verringert wird. Diese Prallbleche sollen Turbulenzen bewirken, die die Vermischung des durch das Rohr strömenden Wassers mit dem Ozon erhöhen. Zusätzlich ist vorgesehen, hinter der zentralen Öffnung eines der Prallbleche ein bogenförmiges Hindernis anzuordnen. Ein Blick durch das Rohr entlang der Rohrachse ist aufgrund der Prallbleche und Hindernisse verwehrt.
Mit einer derartigen Vorrichtung bleibt jedoch die Vermischung des Wassers mit dem Ozon unzulänglich. Zum einen liegt dies daran, dass die Prallbleche lediglich Hindernisse darstellen und zu einer räumlichen Verlängerung des Strömungsweges bis zum Auslass der Mischkammer führen. Turbulenzen werden nur lokal begrenzt und auf eine bestimmte Größe beschränkt hervorgerufen. Eine umfassende und gleichmäßige Verteilung von Ozon im Wasser und insbesondere, was auch ganz wichtig ist, der direkte Kontakt mit den zu oxidierenden Bestandteilen (feste Bestandteile, Schwebepartikel, etc.), wird kaum hergestellt.
Die Analyse bestehender Vorrichtungen zur Ozonanreicherung von Flüssigkeiten hat ergeben, dass der Übergang des Gases in die Flüssigkeit lediglich einen Wirkungsgrad von ca. 15% erreicht. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass vom zur Verfügung gestellten Gas nur 15% an die zu oxidierenden Stoffen in die Flüssigkeit gelangen, sodass das Ergebnis nach einem einzigen Oxidationsvorgang alles andere als zufriedenstellend ist und die Zufuhr von Ozon in mehreren aufeinanderfolgenden Kaskaden erfolgen muss. Die erforderliche Anlagengröße bzw. die Anzahl der Anlagenkomponenten sind enorm und führen zu hohen Betriebskosten.
Ein weiterer Nachteil im Stand der Technik, einschließlich der in der US 6,673,248 B2 offenbarten Erfindung, besteht darin, dass die im Strömungsquerschnitt liegenden Prallbleche die Strömungsgeschwindigkeit stark reduzieren und ein enormer Überdruck am Einlass der Vorrichtung notwendig ist, um einen einigermaßen effizienten Fluss am Auslass der Mischkammer zu erhalten. Bei einem einlassseitigen Druck von etwa 5 bar ist üblicherweise mit einem auslassseitigen Druck von 1-1,5 bar zu rechnen, was einen enormen Druckabfall darstellt.
Es besteht somit der Bedarf an einer Vorrichtung zur Anreicherung von Flüssigkeiten mit Gasen, bei denen bereits in einem einzigen Verfahrensschritt die Oxidation der zu behandelnden Stoffe in der Flüssigkeit zufriedenstellend abläuft. Mit einem höheren Wirkungsgrad können auch teure Anlagenkomponenten eingespart werden. Gleichzeitig soll die Vorrichtung mit einem kleineren Druckgradienten zwischen Ein- und Auslass betreibbar sein und somit kleine Pumpleistungen ermöglichen.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit einer Wirbelkammer der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass in Richtung zur Austrittsöffnung hin die Neigungen zur Längsachse in den Wendepunkten an den zur Eintrittsöffnung gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge größer werden.
Durch diese Maßnahme werden im Medium Wirbel induziert, ohne dass der Fluss durch die Wirbelkammer wesentlich gebremst bzw. beeinträchtigt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verengung werden räumlich gleichmäßig verteilte Wirbel, eine Dehnung der Molekülstruktur, eine Erweiterung von Zwischenräumen im Medium und eine mechanische Stofftrennung verstärkt erzielt. Durch das Zusammenspiel dieser Effekte gelangt der Sauerstoff auch tatsächlich direkt an die zu oxidierenden Bestandteile des flüssigen Mediums. Der Wirkungsgrad, der an der tatsächlich erfolgten Oxidation gemessen wird, erreicht mit der erfindungsgemäßen Maßnahme bis zu 70% und in besonderen Ausgestaltungen sogar darüber.
So wird erst durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine optimale Durchmischung erreicht, weil durch die unterschiedlich starken Steigungen Wirbel unterschiedlicher Größenordnung und Stärke erzeugt werden, sodass eine Durchmischung sowohl in makroskopischer als auch mikroskopischer Dimension gewährleistet wird. Dass sich die Neigungen in Richtung zur Austrittsöffnung hin vergrößern hat den positiven Einfluss, dass der Druckabfall entlang der Wirbelkammer gering gehalten werden kann. Zu diesen Vorteilen kommt der synergetische Effekt, der dadurch zustande kommt, dass in Strömungsrichtung, also der Richtung des Druckabfalls, die Steigungen größer werden, sodass an diesen Stellen noch immer effiziente Wirbelbildung gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß werden obige Ziele mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass im Bereich der Verengung das Innenprofil der vorgeschalteten Wirbelkammer im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse die Form eines Wellenberges aufweist, und dass in mindestens einer Wirbelkammer mindestens zwei Wellenberge vorgesehen sind, wobei in Richtung zur Austrittsöffnung der Wirbelkammer hin die Neigungen zur Längsachse in den Wendepunkten an den zur Eintrittsöffnung gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge größer werden.
Durch diese Maßnahme einer dem Injektor vorgeschalteten Wirbelkammer erfährt die Flüssigkeit bereits vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem Ozon erhöhte Turbulenzen, wodurch das Molekulargefüge in der Flüssigkeit stark verändert wird. Die auf die Verengung in der Wirbelkammer folgende Erweiterung des Querschnitts führt zu einer Dehnung des Molekühlkomplexes und einer Erweiterung von Zwischenräumen. Die Geschwindigkeit des Medienstromes fällt proportional zur Querschnittsvergrößerung. Durch die Querschnittsveränderung entstehen insbesondere starke, nach innen gedrehte Wirbel, die eine Auflockerung der Moleküle bewirken. Die zum Teil nur über Wasserstoffbrücken und Van der Waals Kräfte wechselwirkenden Teilchen werden somit gelockert und es kommt teilweise zu einer mechanischen Stofftrennung. Ein derart in der vorgeschalteten Wirbelkammer aufbereitetes Medium bietet im nachfolgenden Injektor einen optimal Partialdruck für die Aufnahme des Ozons.
Der anschließend durch eine Düse und damit verbunden durch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Injektor hervorgerufene Unterdruck bewirkt das Ansaugen und die Mitnahme des gasförmigen Mediums. In der anschließenden zweiten Wirbelkammer gelangt das Ozon gleichmäßig an die zu oxidierenden Moleküle im Wasser. Dafür ist das erfindungsgemäße Profil verantwortlich, durch das in einer einzigen Wirbelkammer unterschiedlich große und starke Wirbel erzeugt werden können.
In einer Ausgestaltung ist das gesamte Innenprofil entlang der Längsachse gewellt ist, wodurch das erfindungsgemäße Prinzip auf die gesamte Wirbelkammer ausgedehnt wird. Durch mehrere Wellenberge mit dazwischen liegenden Tälern kann eine optimale, umfassende und entlang der gesamten Wirbelkammer aufrechterhaltene Wirbelbildung erzeugt werden.
In einer besonderen Ausführungsform betragen zumindest bei einem Wellenberg die Neigungen in seinen Wendepunkten in Bezug auf die Längsachse zwischen 25° und 55°. Durch diese Maßnahme kann in Zusammenspiel mit dem Durchflußquerschnitt ein optimales Verhältnis zwischen Wirbelbildung zur Abbremsung des Mediums erzielt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Wellenberge vorgesehen, wobei in Richtung zur Austrittsöffnung hin die Neigungen in deren Wendepunkten an den zur Austrittsöffnung gewandten Flanken der Wellenberge zur Längsachse kleiner werden. Dadurch wird die jeweilige Expansion in Richtung Ausstritt hin verringert bzw. verzögert, wodurch bereits angeregt Wirbel bestimmter Größe nach den jeweiligen Wellenbergen länger aufrecht erhalten werden können.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt im Bereich zumindest eines Wellenberges weniger als 40% des maximalen Querschnitts der Wirbelkammer. Diese Einschnürung ermöglich eine umfassende und räumlich homogene Ausbildung von Wirbeln im durchfließenden Medium.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 die vorgeschaltete Wirbelkammer im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse, Fig. 3 den Injektorbereich im Schnitt parallel zu seiner Längsachse, und Fig. 4 die dem Injektor nachgeschaltete Wirbelkammer im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse.
Fig. 1 zeigt den rein schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem gasförmigen Medium, bestehend aus einer Pumpe 5, die über eine Zulaufleitung die Flüssigkeit in eine erste Wirbelkammer 2 pumpt. In dem der Wirbelkammer 2 nachgeschalteten Injektor 3 mündet eine Zufuhrleitung 6 von einem Ozonerzeuger bzw. einem Ozonreservoir 7. Der im Injektor 3 erzeugte Unterdruck sorgt für das Ansaugen bzw. Einbringen des Gases in die Flüssigkeit. In der dem Injektor 3 nachgeschalteten zweiten Wirbelkammer 4 wird durch Erzeugung von Turbulenzen eine bestmögliche Vermischung von Gas und Flüssigkeit erreicht. Schematisch ist die Ablaufleitung 8 angedeutet.
Fig. 2 zeigt die dem Injektor 3 vorgeschaltete erste Wirbelkammer 2 im Detail. Die Wirbelkammer 2 ist rohrförmig ausgebildet mit einem Eintritt 9 und einem Austritt 15, mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt, jedoch weicht das innere Profil des Rohres stark von der Zylinderform ab. Mit z ist die Längsachse der Wirbelkammer und mit dem Pfeil die Strömungsrichtung des Mediums angegeben.
Wesentlich ist eine Verengung 12 des inneren Querschnitts, die in der durchströmenden Flüssigkeit weiträumige Turbulenzen bewirkt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist das den jeweiligen Querschnitt entlang der Wirbelkammer definierende Innenprofil wellenförmig ausgebildet. Das innere Profil im Bereich der Verengung 12 gleicht auch einem Hügel und ist einer Glockenkurve nicht unähnlich. Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Wirbelkammer 2 zeigt ein wellenförmiges Profil bestehend aus zwei Wellenbergen 10, 12. Der jeweilige counterpart in der oberen Hälfte des Schnittes ist bei symmetrischer Ausbildung eine um die Längsachse gespiegelte Darstellung des Wellenbergs. Zwischen den beiden Wellenbergen 10, 12 ist ein Wellental 11 mit einem lokalen Maximum im Rohrquerschnitt vorgesehen, wobei der Querschnitt an dieser Ausbuchtung vorzugsweise kleiner als der Eintrittsquerschnitt der Wirbelkammer ist, vorzugsweise zwischen 55% und 80%, im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 65% des Eingangsquerschnitts.
Mit 10b, 12a und 12b sind die Wendepunkte des Kurvenverlaufs dargestellt. Im weiteren wird auch dieser Ausdruck beibehalten, obwohl es sich eigentlich um ringförmige (Wende-)Linen handelt, die den Übergang von positiver zu negativer Krümmung der das Innere auskleidenden Fläche A anzeigen. Die Wellenberge müssen bezüglich Ihrer Flanken nicht symmetrisch ausgebildet sein. So können die Steigungen in den Wendepunkten 10b, 12a, 12b unterschiedlich groß sein. Wichtig ist und dies unterscheidet die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik, dass der innere Querschnitt der Wirbelkammer kontinuierlich abnehmend im Bereich des Wellenberges sein Minimum annimmt und sich anschließend in kontinuierlicher Weise wieder weitet.
Bei der Verengung 12 beträgt der Querschnitt vorzugsweise weniger als etwa 25%, besonders bevorzugt weniger als 10% des Eingangsquerschnitts. Je nach Ausbildung der übrigen Bereiche der Wirbelkammer kann es vorteilhaft sein, dass der Querschnitt sogar weniger als 5% des Eingangsquerschnitts ausmacht, wie z.B. etwa 2,5% in der dargestellten Ausführung. Insbesondere hängt die Größe der Querschnittsfläche auch vom jeweiligen Medium ab, da die Wirbelbildung stark von dessen Viskosität beeinflusst wird. Die Angaben beziehen sich jeweils auf die Querschnittsfläche und nicht auf den Radius bzw. den Durchmesser.
Wie aus der Darstellung ersichtlich, erfolgt die Änderung des Querschnitts entlang der gesamten Wirbelkammer nicht abrupt, sondern kontinuierlich. Im Bereich der Wendepunkte 12a, 12b weist der Verlauf der Fläche A zur Längsachse z eine Neigung von vorzugsweise zwischen 35° und 55°, besonders bevorzugt- wie auch dargestellt - 45° auf.
Die in Strömungsrichtung gesehen vor der Verengung 12 liegende Verengung 10 gewährt einen im Vergleich zur Verengung 12 größeren Durchflussquerschnitt, vorzugsweise einen 7mal bis 13mal so großen. Dieser beträgt vorzugsweise weniger als etwa 50% besonders bevorzugt weniger als etwa 30% des Eingangsquerschnitts, etwa 25% in der bevorzugten Ausführungsform. Auch ist der die Verengung 10 bildende Wellenberg flacher ausgestaltet, somit mit geringeren Steigungen in seinen Wendepunkten in Bezug auf die Längsachse z, sodass auch der Abstand des Wendepunktes 10b von der Eintrittsöffnung 9 größer ist als der Abstand zwischen den Wendepunkten 12a und 12b. Im Bereich des Wendepunktes 10b (zur Eintrittsöffnung hin ist kein Wendepunkt ausgebildet) beträgt die Steigung der Fläche A zur Längsachse z vorzugsweise weniger als 35°, vorzugsweise etwa 20°. Die Anfangssteigung im Eingangsbereich beträgt vorzugsweise zwischen 35 und 55°. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es etwa 45°
In der bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Verengung 12 im Bereich der Mitte der Wirbelkammer 2, während die Verengung 10 unmittelbar an den Eintrittsbereich folgt und somit vom Eintritt 9 aus gesehen im ersten Drittel der Wirbelkammer liegt.
Im unmittelbaren Bereich der Verengungen bzw. Ausbuchtungen kann das innere Profil der Wirbelkammer annähernd durch einen Krümmungsradius r10, r11, r12 beschrieben werden, wie in der Fig. 2 angedeutet. Dabei sind der Krümmungsradius r10 des ersten Wellenberges 10 und jener der ersten Ausbuchtung mehr als doppelt so groß wie der Krümmungsradius r12 des Wellenberges 12.
Die Innenfläche A der Wirbelkammer 2, also jene gekrümmte Fläche im 3-dimesionalen, die das innere Profil begrenzt bzw. die Wirbelkammer auskleidet, weist keine Unstetigkeiten, Sprünge, Knicke und Kanten auf und ist somit im mathematischen Sinne eine stetig differenzierbare Funktion. Selbstverständlich können im Profil kleine Rillen oder Noppen vorgesehen sein, z.B. zum Induzieren kleinster Wirbel, jedoch ändert dies nichts am globalen Verlauf des Wellenprofils.
Die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung einer den Querschnitt der Wirbelkammer minimierenden Verengung führt zu den erwünschten, oben erwähnten Turbulenzen, ohne dabei den Mediumfluss wesentlich zu bremsen, wodurch der Druckunterschied zwischen dem Bereich vor der Verengung und dem Bereich hinter der Verengung minimiert wird.
In Strömungsrichtung anschließend an die Verengung 12 folgt ein sich erweiternder Bereich, der in einen Bereich 14 mit im wesentlichen konstantem Querschnitt von vorzugsweise zwischen 35% und 55%, gezeigt etwa 45% des Eingangsquerschnitts übergeht, bis zum Austritt 15 erneut eine Erweiterung 14 im Querschnitt erfolgt.
Im Eingangsbereich 9 wird das hereinströmende Medium je nach Viskosität in seiner Geschwindigkeit um etwa 7% herabgesetzt und im Bereich der ersten Verengung 10 gestaut. Durch die darauffolgende Querschnittserweiterung im Bereich der Ausbuchtung 12 werden die Medienmoleküle bzw. der Molekülkomplex gedehnt und Zwischenräume zwischen Molekülen und Molekülkomplexen werden erweitert. Die Geschwindigkeit des Medienstromes fällt dabei im wesentlichen jeweils proportional zur Querschnittsvergrößerung. Durch die Querschnittsveränderung zwischen den beiden Verengungen 10 und 12 entstehen starke nach innen gedrehte Wirbel. Wie bereits eingangs erwähnt, bewirken diese, dass es zu einer Auflockerung des Molekühlkomplexes kommt, insbesondere zwischen Feststoffen und gelösten Stoffen. Teilweise wird auch eine mechanische Stofftrennung beobachtet. Im Bereich vor und bei der Ausbuchtung kommt es zu einer verstärkten Wandreibung und zu Kleinwirbeln, die im Bereich der Verengung 12 bzw. bereits davor entstehen. Aufgrund der im Medium enthaltenen Partikelkonzentration, die infolge der Turbulenzen räumlich stark variiert, kann als Folge von Gewichtsverlagerungen im Medienstrom eine Drehung des Mediums um die Fließachse hervorgerufen werden, wie auch in Versuchen gezeigt werden konnte. Durch den Drall und die im Bereich nach der Verengung 12 entstehende Expansion wird die Medienstruktur so verändert, dass im Bereich mit konstantem Querschnitt und der anschließenden Erweiterung eine mechanische Trennung der zu oxidierenden Stoffe bis zu 60% erreicht werden kann. Im Bereich zwischen Verengung 12 und Austritt 15 erfolgt gleichzeitig eine Rückkoppelung der Wirbel an den Wandbereichen der Wirbelkammer, die zu einem nicht unwesentlichen Beitrag die mechanische Trennung fördern.
Das so vorbereitete Medium erbringt die besten Vorraussetzungen für einen optimalen Partialdruck im nachfolgenden Injektor.
Die Geschwindigkeit des Medienstromes vom Einlass 9 bis zum Auslass 15 der Wirbelkammer hängt jeweils vom Eintrittsquerschnitt, der Medienviskosität, des eingangsseitig erzeugten Fließdruckes und der erforderlichen Gasmenge (somit auch vom Unterdruck im Injektor) ab. Die exakte Dimensionierung der Wirbelkammer hängt u.a. auch von den in der sog. Reynoldszahl Re enthaltenen Größen ab, nämlich der Dichte p, der Strömungsgeschwindigkeit v, der Zähigkeit η und dem Rohrdurchmesser L (Re=ρLv/η). Bei Rohrströmungen findet dabei der Umschlag von laminar zu turbulent bei einer Reynoldszahl von etwa 2300 statt, jedoch muss im vorliegenden Fall die immer die Gesamtkonstruktion berücksichtigt werden, um zu einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu gelangen.
Im folgenden wird nun eine bevorzugte Ausführungsform des Injektors anhand der Fig. 3 näher erläutert. Der Querschnitt im Eingangsbereich 16 des Injektors 3 ist dem Austrittsquerschnitt der ersten Wirbelkammer 2 im wesentlichen angeglichen. Das Medium wird mit dem vorbestimmten Druck über einen sich bevorzugt konisch verengenden Kanal 17 zur Düse 18 befördert. Die Größe der Düse 18 hängt einerseits vom Druck bzw. der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ab und andererseits vom im unmittelbaren Bereich der Düsenöffnung zu erzielenden Vakuums. Das mit dem Gas zu versehende Medium ist jeweils Grundlage für die Dimensionierung des Düsenquerschnitts. Die Düse ist vorzugsweise in waagrechter Richtung bewegbar, beispielsweise durch Verschrauben. Je nach Mediumviskosität muss der Querschnitt optimiert werden, da die Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse für die Größe des entstehenden Vakuums ausschlaggebend ist. Um einen optimalen Partialdruck der Gas/Flüssigkeitsübergangsphase zu erreichen, sollte ein Vakuum von etwa -0,4 bis -0,6 bar erzielt werden. Die Einschraubtiefe der Düse im Verhältnis zum Punkt 19, der als Kante zur Gaszufuhr 6 definiert ist, ist ebenfalls für die Größe des Vakuums verantwortlich. Hier kann eine Anpassung an das jeweilige Medium erfolgen. Über die Gaszufuhr 6 wird das Ozon-Luftgemisch angesaugt und in der Folge mit dem Medium verbunden. Unmittelbar darauf beginnt die Oxidation.
Im Anschluss an die Düse erfolgt im Bereich 20 wiederum eine Erweiterung, z.B. konisch, des Injektorquerschnitts, gefolgt von einem Bereich 21 konstanten Querschnitts. Der Injektoraustritt ist mit 22 bezeichnet.
Fig. 4 zeigt nun eine bevorzugte Ausgestaltung einer dem Injektor in Strömungsrichtung nachfolgenden zweiten Wirbelkammer 4. In ähnlicher Weise wie die erste Wirbelkammer 2, ist auch die Wirbelkammer 4 mit einem inneren Profil ausgestattet, das mindestens eine lokale Querschnittsverengung definiert und abgerundete Formen aufweist.
Am Übergang vom Injektor 3 zur Wirbelkammer 4 ist eine abrupte Querschnittseinschränkung vorgesehen, wobei ein enormer Stauwirbel entsteht, welcher zu einer enormen effektiven Streckenverkürzung führt.
Wie die Wirbelkammer 2 zeigt auch das innere Profil der Wirbelkammer im Schnitt parallel zur Rohrachse Wellenförmigkeit auf. Die bevorzugte Ausführungsform umfasst im wellenförmigen Profil drei Wellenberge 25, 27, 30 und drei Wellentäler 24, 26, 29. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist die Längsachse z des Innenprofils zur Waagrechten leicht nach oben geneigt, wodurch sich das Gemisch leicht gegen die Schwerkraft nach oben bewegt. Den durch das Absenken von Partikeln verursachte Inhomogenitäten kann durch diese Maßnahme verstärkt entgegengewirkt werden, da diese am gewellten Profil sogleich erneut verwirbelt werden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich werden die Wellenberge bezüglich ihrer Flanken in Strömungsrichtung immer unsymmetrischer, d.h. mit anderen Worten, dass die Steigungen in den beiden Wendepunkten des Wellenberges unterschiedlich werden. Die Steigung jener Wendepunkte 25a, 27a, 30a, die sich auf der zum Einlass hin gewandten Seite der Wellenberge 25, 27, 30 befinden, nimmt in Strömungsrichtung zu, während die Steigung in den Wendepunkten 25b, 27b, 30b jener Flanken, die zum Auslaß hin gewandt sind, abnehmen. Erstere können mit der Rohrachse einen beinahe vertikalen Winkel einschließen.
Durch diese Ausgestaltung der Wirbelkammer, insbesondere der verschiedenartige Ausgestaltung der Wellenberge, werden Wirbel verschiedener Größenordnung induziert. Die abgerundeten Konturen des inneren Profils zusammen mit der Tatsache, dass durchgehend ein Durchflussquerschnitt im Bereich um die Rohrachse entlang der gesamten Wirbelkammer gegeben ist, also man mit dem Auge durch das Rohr durchschauen könnte, wirkt sich bezüglich des Druckabfalls zwischen Einlass und Auslass sehr vorteilhaft aus, da das Medium nicht gestoppt bzw. wesentlich gebremst wird, wie dies im Stand der Technik durch Prallwände mit einer abrupten Querschnittsverengung der Fall ist, sondern über den Rand her lediglich zu einer umfassenden Wirbelbildung angeregt wird.
Im Schnitt normal zur Längsachse der rohrförmigen Wirbelkammer ist der Querschnitt vorzugsweise kreisförmig, jedoch fallen auch Abweichungen davon unter das erfindungsgemäße Prinzip, beispielsweise ellipsenförmige oder mit in den Eckbereichen abgerundeten vieleckförmigen Querschnitten. Es können selbstverständlich auch leichte Abweichungen von einer achssymmetrischen Innenkontur der Wirbelkammer auftreten. Im Schnitt parallel zur Längsachse lägen in diesem Fall zwei Wellenberge nicht exakt übereinander, sondern leicht gegeneinander versetzt. Ebenfalls denkbar wäre ein Innenprofil, dem zufolge sich die Wellenberge zumindest in einem Teilbereich schraubenförmig entlang der Wirbelkammer fortsetzen. Durch solche Abweichungen von der Kreissymmetrie kann dem Medium zusätzlich ein gezielter Drall verliehen werden.
Des weiteren ist aus Fig. 4 zu entnehmen, dass die, die Form eines Wellenberges im Bereich seines unmittelbaren Maximums definierenden Krümmungsradien, in Richtung zum Austritt 15 hin abnehmen, somit von flachen Wellenbergen zu gekrümmteren Wellenbergen wechseln. Dies gibt dem Innenprofil zum Austritt 15 hin eine schärfere Kontur, jedoch behält dieses dennoch abgerundete Form. Das selbe geschieht mit den Krümmungsradien der Wellentäler. Während mit den flacheren Konturen großräumige Wirbel verursacht werden, können mit den stärker gekrümmteren Strukturen kleinere Wirbel aufrecht erhalten bzw. aktiviert werden.
Im folgenden soll die bevorzugte Ausführungsform quantitativ näher beschrieben werden, soweit nicht oben bereits angegeben.
Der Einlassbereich 23 der Wirbelkammer 4 besitzt einen kleineren Querschnitt als der Ausgang 22 des Injektors 3. Anschließend folgt eine Aufweitung im Querschnitt bis zu einem lokalen Maximum 24 im Durchflussquerschnitt gefolgt von einer lokalen Verengung 25. Insgesamt weist diese Wirbelkammer drei lokale Verengungen 25, 27 und 30 auf, zwischen denen jeweils drei Erweiterungen bzw. Ausbuchtungen 24, 26 und 29 mit lokal gesehen maximalem Querschnitt. Die entsprechenden Wendepunkte in der Krümmung, also dort wo die zweite Ableitung des Flächenverlaufs Null wird, sind jeweils mit 25a, 25b, 27a, 27b, und 30a, 30b bezeichnet.
Die Querschnitte in den Verengungen 25, 27 und 30 sind in etwa gleich groß und betragen vorzugsweise etwa 20% bis 40%, besonders bevorzugt etwa 30% des maximalen Querschnitts in einer der Ausbuchtungen. Die Querschnitte in den Ausbuchtungen sind ebenfalls etwa gleich groß. Der Eingangsquerschnitt beträgt vorzugsweise etwa 15% bis 30% des maximalen Rohrquerschnitts.
Zwischen der mittleren Verengung 27 und der folgenden Ausbuchtung 29 ist ein Bereich 28 mit im wesentlichen konstantem Querschnitt vorgesehen. Von der auslasseitigen Verengung 30 bis zum Auslass 31 hin weitet sich der Querschnitt nochmals geringfügig. Das Innenprofil des Wirbelkammerrohres 4 ist ebenfalls abgerundet und in mathematischen Sinne stellt die innere Fläche A eine stetig differenzierbare Funktion dar.
Anstelle des Bereichs 28 mit im wesentlichen konstantem Querschnitt, könnte beispielsweise auch ein schwach bzw. flach ausgebildetes Maximum vorgesehen sein. Das erfindungsgemäße Merkmal, dass nämlich in Richtung zur Austrittsöffnung 15, 31 hin die Neigungen zur Längsachse z in den Wendepunkten 12a, 25a, 27a, 30a an den zur Eintrittsöffnung 9, 23 gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge 10, 12, 25, 27, 30 größer werden, schließt derartige Ausbildungen nicht aus. Es ist nicht notwendig, dass alle Wellenberge diese Bedingung erfüllen, sondern zumindest zwei, wobei diese durchaus nicht unmittelbar benachbart sein müssen - es könnte z.B. eben auch ein schwach ausgeprägtes Maximum zwischen diesen liegen.
Anfangssteigung im Eingangsbereich beträgt - jeweils zur Rohrlängsachse z gesehen - etwa 35°. Steigungen im Wendepunkt 25a vorzugsweise zwischen 25° und 45°, besonders bevorzugt etwa 36°; im Wendepunkt 25b vorzugsweise zwischen 30° und 50°, besonders bevorzugt etwa 40°; im Wendepunkt 27a vorzugsweise zwischen 55° und 70°, besonders bevorzugt etwa 65°; im Wendepunkt 27b vorzugsweise zwischen 10° und 20°, besonders bevorzugt etwa 15°; im Wendepunkt 28b vorzugsweise zwischen 15° und 35°, besonders bevorzugt etwa 27°; im Wendepunkt 30a vorzugsweise zwischen 80° und 90°, besonders bevorzugt etwa 90°; im Wendepunkt 30b vorzugsweise zwischen 5° und 20°, besonders bevorzugt etwa 11°
Nach der kurzstreckigen Voroxidation im Injektor 3 zwischen dem Bereich 20 und dem Austritt 22 , wobei es zu einer Druckentlastung des Mediums kommt (notwendige Partialdruckbereiche), wird über den angepassten Austrittsquerschnitt 22 das in Oxidation befindliche Medium der Wirbelkammer zugeführt. Die Wirbelkammer hat die Aufgabe die Oxidationsstrecke zu verkleinern um die technische Ausführung der Anlage zu verkleinern. Am Übergang Injektor 3 und am Eintritt Wirbelkammer 4, kommt es zu einer plötzlichen Querschnittseinschränkung, wobei ein enormer Stauwirbel entsteht, welcher bei entsprechender Ausgestaltung zu einer wesentlichen Streckenverkürzung führt.
Im Bereich zwischen Eintritt 23 und erster Verengung 25 erfährt das mit Gas beladene Medium eine Rückwirbelung, so dass es zu einem weiteren verkürzten Oxidationszeitrahmen kommt. Über die Strecke zwischen der ersten Verengung 25 und dem Wirbelkammeraustritt wird das Medium beschleunigt, weiter verwirbelt und wieder rückgewirbelt.
Die Formgebung über diesen Bereich erbringt eine um 50 % gesteigerte Gasübertragung zum Medium gegenüber dem Stand der Technik. Die Wände der Wirbelkammer erbringen durch die aufgeführte Formgebung eine strömungsbegünstigende Oxidation der Mediumsstoffe.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Es hat sich gezeigt, dass bereits eine einzige Verengung in der jeweiligen Wirbelkammer mit der erfindungsgemäßen Ausbildung als Wellenberg ausreicht, um den Wirkungsgrad einer derartigen Vorrichtung betreffend die Sauerstoffanreicherung wesentlich zu erhöhen. Zudem sind wesentlich kleinere eingangsseitige Pumpleistungen erforderlich. Es wird nämlich durch die kontinuierliche Querschnittsverengung bzw. -erweiterung das gesamte Medium in seinem Fluss durch die Wirbelkammer kaum behindert, obwohl weiträumige Turbulenzen jeder Größenordnung induziert werden. Mit der Anzahl der Verengungen sowie der speziellen Ausbildung der jeweiligen Wendepunkte kann die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter optimiert werden, jedoch stellen dies bevorzugte Ausführungsformen dar.

Claims

Wirbelkammer zum Erzeugen von Turbulenzen in einem durchfließenden Medium, mit einer Eintrittsöffnung, einer Austrittsöffnung und mindestens zwei Verengungen in ihrem Querschnitt, wobei im Bereich der Verengungen das Innenprofil der Wirbelkammer im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse die Form von Wellenbergen (10, 12, 25, 27, 30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung zur Austrittsöffnung (15, 31) hin die Neigungen zur Längsachse (z) in den Wendepunkten (12a, 25a, 27a, 30a) an den zur Eintrittsöffnung (9, 23) gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge (10, 12, 25, 27, 30) größer werden.
Wirbelkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung zur Austrittsöffnung (15, 31) hin die Neigungen zur Längsachse (z) in den Wendepunkten (10b, 12b, 25b, 27b, 30b) an den zur Austrittsöffnung (15, 31) gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge (10, 12, 25, 27, 30) kleiner werden.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenprofil (A) im wesentlichen kreissymmetrisch um die Längsachse (z) ist.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Innenprofil (A) entlang der Längsachse (z) gewellt ist.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einem Wellenberg (12, 25) die Neigungen in seinen Wendepunkten (12a, 12b, 25a, 25b) in Bezug auf die Längsachse (z) zwischen 25° und 55° betragen.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt im Bereich zumindest eines Wellenberges (10, 12, 25, 27, 30) weniger als 40% des maximalen Querschnitts der Wirbelkammer beträgt.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wellenberge (10, 12) vorgesehen sind.
Wirbelkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wellenbergen (10, 12) ein Wellental (11) mit einem lokalen Maximum im Querschnitt vorgesehen ist, wobei der Querschnitt an dieser Ausbuchtung vorzugsweise kleiner als der Eintrittsquerschnitt der Wirbelkammer (2) ist, vorzugsweise zwischen 55% und 80% des Eingangsquerschnitts beträgt.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem in Strömungsrichtung gesehen nach dem Wellenberg (10) liegende Wellenberg (12) der Querschnitt weniger als 25%, bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% des Eingangsquerschnitts beträgt.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung in den Wendepunkten (12a, 12b) des Wellenberges (12) in Bezug auf die Längsachse (z) zwischen 35° und 55°, bevorzugt 45°, beträgt.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem in Strömungsrichtung gesehen vor dem Wellenberg (12) liegende Wellenberg (10) der Querschnitt weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30%, des Eingangsquerschnitts beträgt.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wellenberge (25, 27, 30) vorgesehen sind.
Wirbelkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte bei den Wellenbergen (25, 27, 30) in etwa gleich groß sind und etwa 20% bis 40%, bevorzugt etwa 30% des maximalen Querschnitts in einer der zwischen den Verengungen liegenden Ausbuchtungen (24, 26, 29) betragen, wobei die Querschnitte in den Ausbuchtungen (24, 26, 29) in etwa gleich groß sind.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsquerschnitt der Wirbelkammer (4) etwa 15% bis 30% des maximalen Rohrquerschnitts beträgt.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungen im Wendepunkt (25a) zwischen 25° und 45°, bevorzugt etwa 36°, im Wendepunkt (25b) zwischen 30° und 50°, bevorzugt etwa 40°, im Wendepunkt (27a) zwischen 55° und 70°, bevorzugt etwa 65°, im Wendepunkt (27b) zwischen 10° und 20°, bevorzugt etwa 15°, im Wendepunkt (28b) zwischen 15° und 35°, bevorzugt etwa 27°, im Wendepunkt (30a) zwischen 80° und 90°, bevorzugt etwa 90°, im Wendepunkt (30b) zwischen 5° und 20°, bevorzugt etwa 11°, in Bezug auf die Längsachse (z) betragen.
Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mittleren Wellenberg (27) und der in Strömungsrichtung folgenden Ausbuchtung (29) ein Bereich (28) mit im wesentlichen konstanten Querschnitt vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Anreicherung eines flüssigen Mediums mit einem gasförmigen Medium, insbesondere zur Zufuhr von Sauerstoff bei der Wasseraufbereitung, umfassend einen Injektor (3) für die Gaszufuhr, eine dem Injektor (3) vorgeschaltete Wirbelkammer (2) mit mindestens einer Verengung in ihrem Querschnitt und eine dem Injektor (3) nachgeschaltete Wirbelkammer (4) mit mindestens einer Verengung in ihrem Querschnitt, wobei im Bereich der Verengung das Innenprofil (A) der nachgeschalteten Wirbelkammer (4) im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse (z) die Form eines Wellenberges (25, 27, 30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verengung das Innenprofil (A) der vorgeschalteten Wirbelkammer (2) im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse (z) die Form eines Wellenberges (10, 12) aufweist, und dass in mindestens einer Wirbelkammer (2, 4) mindestens zwei Wellenberge (10, 12, 25, 27, 30) vorgesehen sind, wobei in Richtung zur Austrittsöffnung (15, 31) der Wirbelkammer (2, 4) hin die Neigungen zur Längsachse (z) in den Wendepunkten (12a, 25a, 27a, 30a) an den zur Eintrittsöffnung (9, 23) gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge (10, 12, 25, 27, 30) größer werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung zur Austrittsöffnung (15, 31) hin die Neigungen zur Längsachse (z) in den Wendepunkten (10b, 12b, 25b, 27b, 30b) an den zur Austrittsöffnung (15, 31) gewandten Flanken zumindest zweier Wellenberge (10, 12, 25, 27, 30) kleiner werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenprofil (A) mindestens einer Wirbelkammer (2, 4) im wesentlichen kreissymmetrisch um ihre Längsachse (z) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Innenprofil (A) mindestens einer Wirbelkammer (2, 4) entlang ihrer Längsachse (z) gewellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (z) der dem Injektor (3) nachgeschalteten Wirbelkammer (4) in Richtung zur Austrittsöffnung (31) hin leicht nach oben geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Wirbelkammer (2, 4) zumindest bei einem Wellenberg (12, 25) die Neigungen in seinen Wendepunkten (12a, 12b, 25a, 25b) in Bezug auf die Längsachse (z) zwischen 25° und 55° betragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Wirbelkammer (2, 4) der Querschnitt im Bereich zumindest eines Wellenberges (10, 12, 25, 27, 30) weniger als 40% des maximalen Querschnitts der Wirbelkammer beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorgeschalteten Wirbelkammer (2) zwei Wellenberge (10, 12) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wellenbergen (10, 12) der vorgeschalteten Wirbelkammer (2) ein Wellental (11) mit einem lokalen Maximum im Querschnitt vorgesehen ist, wobei der Querschnitt an dieser Ausbuchtung vorzugsweise kleiner als der Eintrittsquerschnitt der vorgeschalteten Wirbelkammer (2) ist, vorzugsweise zwischen 55% und 80% des Eingangsquerschnitts beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem in Strömungsrichtung gesehen nach dem Wellenberg (10) liegende Wellenberg (12) der vorgeschalteten Wirbelkammer (2) der Querschnitt weniger als 25%, bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% des Eingangsquerschnitts beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung in den Wendepunkten (12a, 12b) des Wellenberges (12) in Bezug auf die Längsachse (z) zwischen 35° und 55°, bevorzugt 45°, beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem in Strömungsrichtung gesehen vor dem Wellenberg (12) liegende Wellenberg (10) der Querschnitt weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30%, des Eingangsquerschnitts beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in der nachgeschalteten Wirbelkammer (4) drei Wellenberge (25, 27, 30) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte bei den Wellenbergen (25, 27, 30) der nachgeschalteten Wirbelkammer (4) in etwa gleich groß sind und etwa 20% bis 40%, bevorzugt etwa 30% des maximalen Querschnitts in einer der zwischen den Verengungen liegenden Ausbuchtungen (24, 26, 29) betragen, wobei die Querschnitte in den Ausbuchtungen (24, 26, 29) in etwa gleich groß sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsquerschnitt der nachgeschalteten Wirbelkammer (4) etwa 15% bis 30% des maximalen Rohrquerschnitts beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass in der nachgeschalteten Wirbelkammer (4) die Steigungen im Wendepunkt (25a) zwischen 25° und 45°, bevorzugt etwa 36°, im Wendepunkt (25b) zwischen 30° und 50°, bevorzugt etwa 40°, im Wendepunkt (27a) zwischen 55° und 70°, bevorzugt etwa 65°, im Wendepunkt (27b) zwischen 10° und 20°, bevorzugt etwa 15°, im Wendepunkt (28b) zwischen 15° und 35°, bevorzugt etwa 27°, im Wendepunkt (30a) zwischen 80° und 90°, bevorzugt etwa 90°, im Wendepunkt (30b) zwischen 5° und 20°, bevorzugt etwa 11 °, in Bezug auf die Längsachse (z) betragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mittleren Wellenberg (27) der nach geschalteten Wirbelkammer (4) und der in Strömungsrichtung folgenden Ausbuchtung (29) ein Bereich (28) mit im wesentlichen konstanten Querschnitt vorgesehen ist.