ITPC20010014A1

ITPC20010014A1 - DEVICE AND METHOD FOR MIXING A GAS WITH A LIQUID OR A LIQUID WITH A LIQUID.

Info

Publication number: ITPC20010014A1
Application number: IT2001PC000014A
Authority: IT
Inventors: Alberto Amici
Original assignee: R T N S R L
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-09-23
Also published as: EP1243313A2; EP1243313A3

Description

Descrizione di un ‘invenzione avente titolo. Description of an invention entitled.

DISPOSITIVO E METODO PER MISCELARE UN GAS CON UN LIQUIDO O UN UQUIDO CON UN LIQUIDO DEVICE AND METHOD FOR MIXING A GAS WITH A LIQUID OR AN UQUID WITH A LIQUID

Il presente trovato concerne un dispositivo ed il relativo metodo per miscelare un gas con un liquido o un liquido con un liquido, ed un dispositivo in attuazione di detto metodo. Detto dispositivo comprende un’elica navale al cui interno viene realizzata una canalizzazione che mette in comunicazione l’estradosso delle pale con l’ambiente in cui è contenuto un gas o un liquido da miscelare con un liquido. The present invention relates to a device and the related method for mixing a gas with a liquid or a liquid with a liquid, and a device for implementing said method. This device includes a naval propeller inside which a canalization is made that connects the extrados of the blades with the environment in which a gas or liquid to be mixed with a liquid is contained.

Detto dispositivo preleva il gas, ad esempio aria dall’ambiente esterno, (oppure un liquido) utilizzando la depressione provocata sull’estradosso delle pale dell’elica immersa nel liquido, ad esempio acqua, quando viene posta in rotazione, essendo detta depressione sufficiente a risucchiare detta aria. L’aria così aspirata, si miscelerà efficacemente con la massa liquida per effetto del vortice, provocato dall’elica in rotazione, che frantumerà l’aria in una miriade di bollicine aumentando fortemente la superficie di scambio. Said device takes the gas, for example air from the external environment, (or a liquid) using the depression caused on the extrados of the propeller blades immersed in the liquid, for example water, when it is rotated, said depression being sufficient to suck in said air. The air thus sucked will mix effectively with the liquid mass due to the effect of the vortex, caused by the rotating propeller, which will shatter the air into a myriad of bubbles, strongly increasing the exchange surface.

In vari sistemi industriali (industria chimica, alimentare, depurazione delle acque, acquacoltura, ecc.) si utilizzano processi nei quali è necessario miscelare due fluidi, in particolare miscelare un gas ad un liquido. In various industrial systems (chemical, food, water purification, aquaculture, etc.) processes are used in which it is necessary to mix two fluids, in particular to mix a gas with a liquid.

Nel caso di miscelazione di un gas in un liquido, vengono utilizzati vari sistemi che possono essere raggruppati in tre gruppi: In the case of mixing a gas into a liquid, various systems are used which can be grouped into three groups:

Gli aeratori ad aria insufflata, sono dispositivi che comprendono un compressore che, attraverso una tubazione, manda l’aria nella massa liquida attraverso un diffusore poroso, in cui passa l’aria in pressione. Detti sistemi sono relativamente complessi e necessitano di notevole manutenzione perché soggetti ad intasamenti. Blown air aerators are devices that include a compressor which, through a pipe, sends the air into the liquid mass through a porous diffuser, through which the pressurized air passes. These systems are relatively complex and require considerable maintenance because they are subject to clogging.

- Gli aeratori meccanici, che creano una forte turbolenza in corrispondenza del pelo libero accentuando l’interscambio naturale fra superficie liquida e gas, comprendono le turbine che creano un vortice che risucchia aria e la mescola con l'acqua frantumandola in bollicine e le spazzole rotanti che agitano fortemente la superficie dell’acqua. Questi sistemi sono molto rumorosi e creano forti spruzzi. - The mechanical aerators, which create a strong turbulence at the free surface, accentuating the natural exchange between the liquid surface and the gas, include the turbines that create a vortex that sucks air and mixes it with the water, breaking it into bubbles and the rotating brushes which strongly agitates the surface of the water. These systems are very noisy and create strong splashes.

- Gli aeratori che sfruttano il principio di Bernoulli accelerano il liquido tramite pompe ed eiettori o turbine sommerse per creare una depressione e richiamare gas in una vena liquida. Questi dispositivi hanno la limitazione di non realizzare una grande superficie di scambio tra liquido e gas, con conseguente minor efficienza della miscelazione. - Aerators that use the Bernoulli principle accelerate the liquid by means of submerged pumps and ejectors or turbines to create a vacuum and draw gas into a liquid vein. These devices have the limitation of not having a large exchange surface between liquid and gas, with consequent lower mixing efficiency.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invenzione si propone di superare gli inconvenienti della tecnica nota attraverso un dispositivo di facile ed economica installazione, che necessita di poca manutenzione, non produce spruzzi, non è soggetto al pericolo d’intasamenti e garantisce un’ottima miscelazione del gas o del liquido con il liquido. The present invention aims to overcome the drawbacks of the known art by means of a device that is easy and economical to install, which requires little maintenance, does not produce sprays, is not subject to the danger of clogging and guarantees excellent mixing of the gas or liquid. with liquid.

Il metodo secondo l’invenzione può essere convenientemente impiegato in tutti i casi in cui occorra miscelare un liquido con un gas o con un altro fluido, citando, quali esempi non limitativi, i depuratori biologici a fanghi attivi per le acque di scarico civili o impieghi nell’industria chimica. The method according to the invention can be conveniently used in all cases in which it is necessary to mix a liquid with a gas or another fluid, citing, as non-limiting examples, biological activated sludge purifiers for civil waste water or uses in the chemical industry.

L’invenzione potrà meglio essere compresa grazie alla descrizione che segue e con riferimento alle figure allegate in cui: The invention will be better understood thanks to the following description and with reference to the attached figures in which:

• le figure 1 e 2 mostrano un’elica e l’andamento della pressione sul profilo delle pale; • Figures 1 and 2 show a propeller and the pressure trend on the blade profile;

· la figura 3 mostra, in sezione, la pala di un’elica in un dispositivo secondo l’invenzione; Figure 3 shows, in section, the blade of a propeller in a device according to the invention;

• la figura 4 mostra, in sezione, una possibile realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione. • Figure 4 shows, in section, a possible realization of the device according to the invention.

Nel seguito si farà riferimento al caso specifico di miscelazione di un gas con un liquido, ma è chiaro che la stessa idea di soluzione potrà essere applicata al caso di miscelazione di due liquidi, pur restando compresi nell’ambito di protezione del presente trovato. In the following, reference will be made to the specific case of mixing a gas with a liquid, but it is clear that the same idea of a solution can be applied to the case of mixing two liquids, while remaining within the scope of the present invention.

Se consideriamo l’intersezione di un’elica navale (1) con vari cilindri (2), di asse coincidente a quello di detta elica, otteniamo delle sezioni (3), di profilo (3a), delle pale (4). If we consider the intersection of a naval propeller (1) with various cylinders (2), whose axis coincides with that of said propeller, we obtain sections (3), in profile (3a), of the blades (4).

E’ noto che i profili alari muovendosi in un fluido, generano un flusso tale che si crea una sovrappressione sull'intradosso ed una depressione sull’estradosso. La portanza è quindi dovuta all’effetto combinato di dette sovrappressione e depressione. It is known that the airfoils moving in a fluid generate such a flow that an overpressure is created on the intrados and a depression on the extrados. The lift is therefore due to the combined effect of said overpressure and depression.

Si precisa che con il termine “profili alari” si intende qualsiasi profilo che movendosi in un fluido genera una depressione. It should be noted that the term "airfoils" means any profile which, moving in a fluid, generates a depression.

Un’elica navale funziona sfruttando lo stesso effetto poiché la pala ha un profilo (3a) che genera nel liquido lo stesso tipo di flusso e quindi, ruotando, crea una depressione sull’estradosso delle pale di detta elica. L’invenzione si basa sullo sfruttamento di questo principio. A naval propeller works by exploiting the same effect since the blade has a profile (3a) that generates the same type of flow in the liquid and therefore, by rotating, creates a depression on the extrados of the blades of said propeller. The invention is based on the exploitation of this principle.

Ponendo in comunicazione mediante un condotto l’estradosso di dette pale con un ambiente in cui è contenuto un gas, questo gas viene aspirato per effetto della depressione creata sull’estradosso delle pale. By placing the extrados of said blades in communication through a duct with an environment in which a gas is contained, this gas is sucked in due to the effect of the depression created on the extrados of the blades.

Il gas, risucchiato nel modo descritto, entra nella massa liquida e si miscela ad essa, la miscelazione essendo favorita dal fatto che detto gas viene a trovarsi in un fluido molto vorticoso e, quindi, la superficie di scambio è molto grande. The gas, sucked in as described, enters the liquid mass and mixes with it, the mixing being favored by the fact that said gas is found in a very swirling fluid and, therefore, the exchange surface is very large.

In fig. 2 è diagrammato il verso e il modulo delle forze agenti sul profilo (3a) di detta sezione (3) della pala (4) quando quest’ultima avanza nel liquido con la velocità V, avendo un angolo d’incidenza □. In fig. 2 shows the direction and the modulus of the forces acting on the profile (3a) of said section (3) of the blade (4) when the latter advances in the liquid with the speed V, having an angle of incidence □.

La risultante F di dette forze può essere scomposta in una forza P, che costituisce la spinta propulsiva, ed una forza R, che costituisce la frazione dovuta alla generazione della portanza, della resistenza all’avanzamento della pala nel liquido. The resulting F of said forces can be decomposed into a force P, which constitutes the propulsive thrust, and a force R, which constitutes the fraction due to the generation of lift, of the resistance to the advancement of the blade in the liquid.

Sulla pala inoltre agisce un’altra forza R’, dovuta alla viscosità del liquido, concorde con R in direzione e verso. Another force R 'also acts on the blade, due to the viscosity of the liquid, in agreement with R in direction and towards.

Essendo l’elica mantenuta ferma, per reazione dette forze P ed R’ agiscono sul liquido determinando rispettivamente un flusso di liquido e un vortice coassiali con detta elica. Since the helix is kept stationary, by reaction said forces P and R 'act on the liquid causing respectively a flow of liquid and a vortex coaxial with said helix.

In fìg. 3 è diagrammato l’andamento della pressione lungo il profilo (3a) di detta sezione (3), essendo detto andamento della pressione correlato all’andamento delle forze indicato in fig. 2. In fig. 3 shows the pressure trend along the profile (3a) of said section (3), being said pressure trend correlated to the trend of the forces indicated in fig. 2.

Da questa figura, si vede che sull’estradosso della pala rigenera una depressione di valore elevato. From this figure, it can be seen that on the extrados of the blade it regenerates a depression of high value.

Realizzando allora un’apertura (7) in una zona (5) dell’estradosso della pala e ponendo detta apertura in comunicazione con l’ambiente contenente il gas tramite il condotto (6) che corre lungo la pala, quando l’elica è posta in rotazione la depressione che si genera in detta zona (5) produce l’effetto di risucchiare il gas che si trova a pressione più elevata. Una forma possibile di realizzazione di un dispositivo secondo l'invenzione, che è mostrata a scopo esemplificativo e non limitativo in fig. Then making an opening (7) in an area (5) of the extrados of the blade and placing said opening in communication with the environment containing the gas through the duct (6) which runs along the blade, when the propeller is placed in rotation, the depression generated in said zone (5) produces the effect of sucking up the gas which is at a higher pressure. A possible embodiment of a device according to the invention, which is shown by way of non-limiting example in fig.

4, comprende: 4, includes:

• un’elica (1), che reca una pluralità di pale (4) e ruota su un cuscinetto (16), essendo ricavati in dette pale (4) condotti (6) ed aperture (7) che mettono in comunicazione il liquido nel quale sono immerse le pale (4), con una cavità (14a), che si trova all’interno del mozzo (14) di detta elica (1): • a propeller (1), which carries a plurality of blades (4) and rotates on a bearing (16), being formed in said blades (4), conduits (6) and openings (7) which communicate the liquid in the which the blades (4) are immersed, with a cavity (14a), which is located inside the hub (14) of said propeller (1):

• un elemento tubolare (8), di asse (17), che funge anche da struttura portante del sistema, solidale con una prima estremità ad un supporto (10) e che reca ad una seconda estremità detto cuscinetto (16) su cui ruota l’elica (1), essendo la cavità (13) di detto tubo (9) in comunicazione con detta cavità (14a); • a tubular element (8), with axis (17), which also acts as the load-bearing structure of the system, integral with a first end to a support (10) and which bears said bearing (16) at a second end on which the helix (1), the cavity (13) of said tube (9) being in communication with said cavity (14a);

• un albero di trasmissione (8), posto nella cavità (13) del tubo (9), che pone in rotazione l’elica (1), collegata ad un motore (non illustrato), essendo il centraggio di detto albero di trasmissione (8) realizzato ad una prima estremità dal cuscinetto (15) del supporto (10) e ad una seconda estremità dal mozzo (14) di detta elica (1), essendo detto mozzo (14) centrato, rispetto a detto asse (17), da detto cuscinetto (16) che si interpone tra detti mozzo (14) e tubo (9); • a transmission shaft (8), placed in the cavity (13) of the tube (9), which rotates the propeller (1), connected to a motor (not shown), being the centering of said transmission shaft ( 8) made at a first end by the bearing (15) of the support (10) and at a second end by the hub (14) of said propeller (1), said hub (14) being centered, with respect to said axis (17), from said bearing (16) which is interposed between said hub (14) and tube (9);

· un’apertura (12), ricavata nel supporto (10), che mette in comunicazione l'ambiente contenente il gas con un’intercapedine (18) esistente tra detti tubo (9) e albero (8). · An opening (12), obtained in the support (10), which connects the environment containing the gas with a gap (18) existing between said tube (9) and shaft (8).

Con riferimento all’esempio di realizzazione descritto, il gas segue il percorso indicato dalle frecce (19), (19a) e (19b), entra nell’apertura (12) del supporto (10) e giunge alle pale (4), da cui esce attraverso le aperture (7), passando attraverso l’intercapedine (18), la cavità (14a) del mozzo (14) e i condotti (6) esistenti all’interno delle pale (4). With reference to the example of embodiment described, the gas follows the path indicated by the arrows (19), (19a) and (19b), enters the opening (12) of the support (10) and reaches the blades (4), from which exits through the openings (7), passing through the interspace (18), the cavity (14a) of the hub (14) and the ducts (6) existing inside the blades (4).

Detto gas effettua detto percorso, indicato dalle frecce (19), (19a) e (19b), per effetto della differenza di pressione esistente tra l’ambiente da cui detto gas è prelevato e la zona (5) dell’estradosso delle pale (4), essendo detta differenza di pressione dovuta alla rotazione dell’elica (1), che riceve la potenza necessaria dall’albero (8), che collega detta elica (1) con il motore. Said gas follows said path, indicated by the arrows (19), (19a) and (19b), due to the effect of the pressure difference existing between the environment from which said gas is withdrawn and the area (5) of the extrados of the blades ( 4), said pressure difference being due to the rotation of the propeller (1), which receives the necessary power from the shaft (8), which connects said propeller (1) with the motor.

Il liquido all’esterno dell’elica, soggetto alla forza P (fig. 2), dovuta alla differenza di pressione esistente fra intradosso ed estradosso delle pale (4), segue un percorso rettilineo (20), di avvicinamento all’elica (1). A detto movimento rettilineo (20), giunto in prossimità dell’elica, si sovrappone il vortice (21), provocato dalla forza viscosa R’, dovuta al movimento relativo di dette pale (4) rispetto al liquido. The liquid outside the propeller, subject to the force P (fig. 2), due to the difference in pressure existing between the intrados and the extrados of the blades (4), follows a straight path (20), approaching the propeller (1 ). The vortex (21), caused by the viscous force R ', due to the relative movement of said blades (4) with respect to the liquid, is superimposed on said rectilinear movement (20), which comes close to the helix.

II gas, che esce dalle aperture (7) delle pale (4), si mescola al liquido proprio nella zona di massima vorticità, con la conseguenza di frantumarsi in una miriade di bollicine, che realizzano la massima superficie di contatto tra liquido e gas. The gas, which comes out of the openings (7) of the blades (4), mixes with the liquid precisely in the area of maximum vorticity, with the consequence of shattering into a myriad of bubbles, which create the maximum contact surface between liquid and gas.

Un dispositivo in attuazione del metodo secondo l’invenzione presenta diversi vantaggi rispetto alia tecnica nota, in particolare non è soggetto ad intasamenti e, grazie al fatto che lavora totalmente immerso nel liquido e che il passaggio del gas avviene attraverso un condotto, senza creare quindi superfici di scambio liquido-gas in comunicazione con il pelo libero, non provoca spruzzi ed è anche notevolmente più silenzioso. A device implementing the method according to the invention has several advantages with respect to the known technique, in particular it is not subject to clogging and, thanks to the fact that it works totally immersed in the liquid and that the gas passes through a duct, without therefore creating liquid-gas exchange surfaces in communication with the free surface, does not cause splashes and is also considerably quieter.

Da un punto di vista impiantistico inoltre, è di facile installazione e, grazie all’efficienza della miscelazione, richiede una potenza inferiore a parità di effetto. Furthermore, from a plant engineering point of view, it is easy to install and, thanks to the mixing efficiency, requires less power with the same effect.

Il dispositivo secondo l'invenzione potrà trovare applicazione in tutti quei settori è necessario miscelare intimamente un gas con un liquido, come accade, ad esempio, nel settore della depurazione delle acque. The device according to the invention can find application in all those sectors it is necessary to intimately mix a gas with a liquid, as happens, for example, in the water purification sector.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere numerose modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi tutte comprese nell'ambito del presente trovato. A person skilled in the art can then foresee numerous modifications and variations, which must however be considered all included within the scope of the present invention.

Claims

CLAIMS 1) Device for mixing a fluid, gaseous or liquid, with a liquid, characterized by the fact of providing an element immersed in the liquid which, interacting with said liquid, creates a depression suitable for sucking the gaseous or liquid fluid from an environment that contains said fluid.

2) Device for mixing a fluid, gaseous or liquid, with a liquid according to the preceding claim characterized in that: • said element that interacts with said liquid is a section blade having an airfoil (3a) which, moving inside said liquid, generates depression areas in correspondence with the extrados of said wing profile (3a); • said depression areas are placed in communication with said environment through a canalization.

3) Device for mixing a fluid, gaseous or liquid, with a liquid according to claim 2, characterized in that: • said blade, with a section having an airfoil (3a), is a blade (4) of a propeller (1), • said channel which connects said depression areas with said environment which contains said gas, comprises one or more openings (7) and conduits (6) obtained in the blades (4) of the propeller (1), and a conduit which puts in communication the pipes (6) with the environment that contains the gas.

4) Device for mixing a fluid, gaseous or liquid, with a liquid, characterized by providing: • a propeller (1), which takes its motion from a transmission shaft (8), which rotates inside a tubular element (9), which constitutes a support structure for said propeller (1) and said shaft transmission • one or more openings (7) made on the extrados of the blades of said propeller; • ducts (6), (14a), (18) obtained respectively in the blades (4), in the hub (14) of said propeller (1) and in the support tube (9), which connect said openings (7 ), obtained in the blades (4), with the opening (12), which puts the device according to the invention in communication with the environment that contains the gas to be mixed with the liquid.

5) Method for mixing a fluid, gaseous or liquid, with a liquid, characterized in that at least one blade having an airfoil is set in motion within said liquid and the extrados of said blade is put into communication with the environment where the gas to be mixed with the liquid is located.

6) Method for mixing a fluid, gaseous or liquid, with a liquid according to claim 5, characterized in that a propeller immersed in the liquid is rotated and the extrados of the blades of said propeller communicate with the environment where the gas to be mixed with the liquid is found.

7) Method according to claim 6, characterized in that the upper surface of the blade is put in communication with the outside by means of ducts which pass inside the blade and the relative supports.

8) Device according to the preceding claims, as described and illustrated and for the specified purposes.

9) Method according to the preceding claims, as described and illustrated and for the specified purposes