NO151810B - Fremgangsmaate og apparat til fordeling av et gassformet, vaeskeformet eller pulverformet materiale i en vaeske - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte

til fordeling av et gassformet, væskeformet eller pulverformet materiale i en væske ved at det i væsken roteres en propell som roterer med en hastighet som forårsaker kavitasjon og som er utstyrt med minst to blad med hvert sitt perforerte, hule parti som er forbundet med et forråd for materialet som skal fordeles.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for anvendelse ved utførelse av fremgangsmåten til fordeling av et gassformet, væskeformet eller pulverformet materiale i en væske, omfattende en propell med minst to blad som med hvert sitt perforerte hule parti i form av en kanal er forbundet med et forråd for materialet som skal fordeles.

Nederlandsk patentsøknad 76.01422 omtaler en fremgangsmåte for innføring av gass, pulver eller væske i en væske og for blan-ding av disse materialer med resipientvæsken ved hjelp av en skipspropell. Den skipspropell som anvendes for dette formål,

har hule blad hvor hulrommene er forbundet, direkte eller gjennom et hult nav, med en hul propellaksel hvorigjennom materialet som skal innblandes, kan fremføres til propellbladene. Propellbladene kan på lesiden eller sugesiden være utstyrt med et antall perforeringer hvorigjennom tilsatsmaterialet kan innføres i resipientvæsken. Overføringen av tilsatsstoffet til perforeringene i propellbladene gjennomføres fortrinnsvis ved hjelp av overtrykk. Overføringen kan også foregå under innvirkning av den sugeeffekt som oppstår når propellen roterer i væsken. I den nederlandske patentsøknad er det fremhevet som et særtrekk ved angjeldende fremgangsmåte og propellen som anvendes i tilknyt-ning til fremgangsmåten, at sprede- eller blandeeffekten påvirkes gunstig som følge av at tilsatsstoffet, etter å ha passert perforeringene, utsettes direkte for innvirkningen av propellen som roterer i væsken, i motsetning til den situasjon som oppstår

ved anvendelse av konvensjonelle, massive propeller. I sistnevnte tilfelle blir stoffet som skal innblandes, tilsatt til væsken utenfor den direkte funksjonssone for propellen, hvoretter det føres videre og dispergeres i væsken under innvirkning av de strømdannelser som forårsakes av propellen. Ifølge den ovennevnte nederlandske patentsøknad 76.01422 blir blandefunksjonen av så vel den hule, perforerte propell som de konvensjonelle, massive propeller bedømt som en rent mekanisk blandeprbsess som forutsetter at tilsatsstoffene innføres mest mulig direkte i de roterende propellblads mekaniske virkningssone. Som omtalt ovenfor er derfor plasseringen av perforeringene ikke kritisk,

og perforeringene kan følgelig være anordnet på trykksiden eller på lesiden av propellbladene. I den versjon av den kjente, hule propell som er vist i tegningene, er perforeringene anbrakt på bladets leside, slik at de kan tenkes forbundet ved en linje som løper parallelt med og umiddelbart langs den randsone som forbinder propellbladets trykkside- og lesideflater med hver-andre .

Det kjennetegnende ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er at et kvantum av materialet som skal fordeles fremføres til kavitasjonene ved et trykk som er høyere enn væskens damptrykk i kavitasjonene, men som er lavere enn trykket av væsken som omgir kavitasjonene.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at perforeringene er utformet på kanalens bakside, sett i propellens rotasjonsretning, umiddelbart utenfor og stort sett parallelt med kanalens toppunktslinje, og at propellbladene, bortsett fra kanalene, som har kuppelformet profil, er massive og stort sett plane med regulerbar bladvinkel og har en form som fra bladspissen skråner utad i retning mot propellakselen, for at væsken langs propellbladet skal få tilnærmelsesvis jevn strømningshas-tighet under propellens rotasjon.

Oppfinnelsen er' basert på den erkjennelse at det ved implosjon av kaviteter utvikles meget høye trykk av størrelsesorden opp til flere tusen bar. På grunn av disse høye trykk vil væsken som befinner seg under det høye trykk, øke sin oppløsningsevne, slik at eksempelvis vannets evne til å oppløse luft øker tilnærmelsesvis direkte proporsjonalt med trykket i vannet. Ener-gien som frigjøres ved implosjonen, muliggjør en intens spedning av kavitetenes innhold i den omgivende væske.

US-patentskrift 3.108.146 omtaler riktignok et apparat

for lufting av vann, som omfatter en propell med perforerte,

hule blad i forbindelse med ytterluften, og hulromsdannelse er nevnt som en effekt som vanligvis oppstår på lesiden av roterende propeller. I denne forbindelse er imidlertid "hulromsdannelse" utelukkende definert som en sone med redusert trykk, og dette reduserte trykk kan derved utnyttes for innføring av luft i vannet, gjennom perforeringene, i form av små bobler. Innenfor rammen for vannlufting er imidlertid formålet ifølge ovennevnte US-patentskrift å frembringe et apparat som uten rørledning gjør det mulig å forflytte en væskesøyle gjennom en annen væske, og spesielt en søyle av luftblandet vann gjennom en stor kvantitet av overflatevann, hvorved overflatevannet luftes bare ved at den luftmengde som befinner seg i den fremførte vannsøyle, avgis til overflatevannet som omgir nevnte søyle. Det er, ifølge ovennevnte US-patentskrift, intet som viser at hulromsdannelsen er frembrakt med hensikt, og at implosjonen av kavitetene utnyttes for dispergering av luft eller oksygen i overflatevannet. Tvert imot er det i dette US-patentskrift bemerket i forbindelse med dispergeringen av oksygen i overflatevannet, at luftinnholdet i den fremdrevne vannsøyle avgis til det omgivende vann ved eksplosjonen - i motsetning til implosjon - av søylen idet den når sitt endepunkt.

I en utførelse av apparatet ifølge ovennevnte US-patentskrift kan tilføringen av luft til vannet også gjennomføres ved opprettholdelse av overtrykk i propellbladene, noe som atter indikerer at frembringelsen av hulromsdannelse og implosjonen av kavitetene med henblikk på utnyttelse av den derved frigjorte energi for dispergering av luft i vannet, ikke er et formål ved den oppfinnelse som er beskrevet i nevnte US-patentskrift.

Det er videre kjent, ifølge fransk patentskrift 2.072.402,

å innføre luft i vannet ved rotering av en skipspropell som inn-befatter hulkanaler som gjennom en hul propellaksel står i forbindelse med atmosfæren. Hensikten med denne vannlufting er imidlertid å øke det eksisterende drivtrykk for skip ved å øke fluidi-teten i vannstrømmen på baksiden av skipspropellen, ved avslut-ningsvis å fordele luft i vannet. Det fremgår heller ikke av dette franske patentskrift at hulromsdannelsen er frembrakt med hensikt for frigjøring av energi ved implosjonen av de dannete kaviteter, for innføring av luft i vannet. Dette bekreftes av

den kjensgjerning, at luftutløpsåpningene er anordnet i forkanten av propellbladene og ikke på bladets leside i forhold til propellen. Som en ytterligere mulighet for oppnåelse av det omtalte formål ifølge nevnte, franske patentskrift, henviser forfatteren til anvendelsen av en separat blander for anbringelse i propell-strømmen, og i denne forbindelse spiller hulromsdannélsen selv-sagt ingen som helst rolle.

Toppunktslinjen defineres i denne forbindelse som den linje som forbinder de høyeste punkter på propellbladflaten. På grunnlag av strømkavitasjonsteorien kan det antas at trykket, sett i rotasjonsretningen, vil synke brått umiddelbart langs toppunktslinjen, hvorved det oppstår kavitasjoner under forutsetning av at rotasjonshastigheten er større enn det som motsvarer den såkalte kavitasjonsfaktor. Grunnet plasseringen av perforeringene som, i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse, er umiddelbart utenfor toppunktslinjen, kan det antas at det stoff som strømmer ut fra perforeringene, vil oppfanges i kavitasjonene i denne sone. Ved hensiktsmessig dimensjonering av perforeringene er det videre mulig, ved å velge en rotasjonshastighet som overstiger kavitasjonsfaktoren, å regulere det rådende partialvakuum i kavitasjonssonen, og derved tilførselen av materiale gjennom perforeringene til denne sone, og justere det til en verdi som resulterer i kavitetsimplosjon.

Oppfinnelsen er særlig egnet for dispergering av gass i vann, f.eks. spillvannet i et spillvannsrenseanlegg. En fore-trukker versjon av apparatet ifølge oppfinnelsen er derfor av en konstruksjon hvor perforeringene i propellbladene, gjennom et hult nav og/eller en hul propellaksel hvortil propellbladene er fastgjort, er lukkbart forbundet med gasskilden, særlig atmosfæren, og hvor kanalen er anordnet på propellbladenes leside i tilgrensning til og stort sett parallelt med bladenes forkant. Kanalen står i forbindelse med ytterluften gjennom navet og/ eller propellakselen, og har i sideriss en profil som går jevnt over i propellbladet. Ved hjelp av en ventil, av vilkårlig kon-vensjonell type, som er anordnet i lufttilførselskanalen kan luftmengden som strømmer ut av perforeringene reguleres på slik måte at luften fremføres til hulromsdannelsene ved et trykk som overstiger damptrykket fra vannet i hulrommene men som er lavere enn vanntrykket rundt kavitasjonssonen. De luftfylte hulrom som dannes på denne måte, kan deretter implodere og dispergeres i små bobler.

Den økete utstrekning av hulromsdannelsen som skyldes den tilpassete bladprofil ifølge oppfinnelsen, som beskrevet i det etterfølgende, kan resultere i såkalt "rusing" av propellen. Dette er en følge av at propellen roterer i en praktisk talt sammenhengende dampboble, og det er derfor ønskelig å kunne justere propellbladets stigningsvinkel. Videre vil det kanalformete hulroms funksjon som et lufttilførselselement foregå mest mulig ensartet langs hele lengden dersom strømmen i væske-sonen, sett i propellens rotasjonsretning, er mest mulig jevn og strømningshastigheten i propellakselretningen opprettholdes så konstant som mulig.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et perspektivriss av en propell som er opp-lagret om et hult, langstrakt nav.

Fig. 2 viser et planriss av et propellblad.

Fig. 3 viser et tverrsnitt, etter linjen III-III i fig.

2, av samme propellblad.

Det er i fig. 1 vist et hult nav 1 som er forbundet med tre propellblad 2, 3 og 4. Propellbladenes stigningsvinkel kan reguleres. Hvert propellblad omfatter et kuppelformet parti hen-holdsvis 5, 6 og 7, og hvert av disse partier omslutter et kanal-formet hulrom, mens partienes respektive toppunktslinjer er betegnet med 8, 9 og 10. Propellens rotasjonsretning er angitt med en pil.

I fig. 2 som viser et planriss av propellbladet 2, er kanalrommet betegnet ved 11. Propellbladet 2 er utstyrt med perforeringer 12. Det er anordnet liknende åpninger (ikke vist)

i motsvarende soner av propellbladene 3 og 4. Den åpne ende 13

av det hule nav kan forbindes med en likeledes hul propellaksel som derved kan tjene for drift av propellen og for fremføring til de kanalformete rom i propellbladene av den gass, f.eks. luft, som skal innføres i vannet. Gjennom en rørledning med inn-koplet styreventil (ikke vist) kan selve hulpropellen stå i forbindelse med eksempelvis atmosfæren.

I forbindelse med lufting av vann er det foretatt prøvinger med en propell av type som vist i tegningene, med henblikk på økning av vannets oksygeninnhold. Disse prøvinger er beskrevet i det nedenstående eksempel til ytterligere belysning av fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen.

Eksempel

Ved anvendelse av en propell som vist i tegningene, men med et nav som ikke var langstrakt, ble det utført prøvinger hvorunder 3 m 3 vann i en sylinderformet beholder med kapasitet 4 m<3> ble tilført luft.

Propellbladenes stigningsvinkel var regulerbar mellom 0° og 15°. Det ble under prøvingene opprettholdt en stigningsvinkel av 12°. Åpningene, i et antall av fem pr. blad, hadde en diameter av 2,0 mm.

Lufttilførselen ble regulert ved hjelp av en ventil, slik at det i kanalrommene ble opprettet justerte delvakuum av hen-holdsvis 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 og 40 cm Hg, motsvarende absolutte trykkverdier av 76, 71, 66, 61, 56, 51, 46, 41 og 36 cm Hg. Samtlige prøvinger ble foretatt ved en hastighet n = 1260 omdr./min.

Forut for hvert forsøk ble vannet (ledningsvann) gjort oksygenfritt i en behandlingsprosess med natriumsulfitt og koboltklorid som katalysator. Vannet ble fornyet etter hver fjerde måling.

Oksygeninnholdet i vannet og dessuten mengden av den inn-førte luft Qg<*> (Nm3.h ble målt ved elektrokjemiske midler. ;Delvis på grunnlag av disse målinger ble de øvrige stør-relser i den etterfølgende tabell beregnet. I tabellen represen-terer tga masseoverføringshastighetskoeffisienten (h~ ), OC<1>^ ;(g O-.h "*") oksygeninnføringskapasiteten ved 10°C, G (g 0_.h den oksygenmengde O2 som motsvarer verdien , og endelig n oksygenoverføringsvirkningsgraden, definert som

Fig. 4 viser et diagram hvor oksygenoverføringsvirknings-graden er angitt som en funksjon av oksygeninnføringskapasi-teten 0C1Q.

Det fremgår av diagrammet at når trykket minskes i propellbladenes kanalrom, dvs. ved en reduksjon av OC-verdiene, vil verdien av n forandres lite i begynnelsen, helt til trykket er redusert til en verdi av 71 cm Hg, eller OC^Q-verdien er sunket til 433,2 g 02.h hvoretter n begynner å øke relativt markert i overensstemmelse med en lineærfunksjon. Fra en OC,n-verdi av

-1

ca. 374,4 g O-.h øker n gradvis til en verdi av ca. 43,8%, mens OC.^-verdien bare har sunket til 351,5 g 02-h . Det er tydelig, at grunnet flere bivirkninger, eller en økning av de eksisterende innvirkninger, f.eks. som følge av økningen av an-" tallet bobler med en diameter d <2 mm, som betraktes som faste bobler som er dannet ved implosjon av kavitasjoner, vil tilveks-ten i ri igjen synke ved ytterligere reduksjon av OC.

Fremgangsmåten for innføring av luft, eller oksygen, i vann ved anvendelse av propellen ifølge oppfinnelsen, hvorved det oppnås en kavitasjonsfremkallende rotasjonshastighet og en styrt kavitasjonsimplosjon, er å betrakte som en versjon av gruppen av bobleluftingssystemer såsom de praktisk anvendte, skiveformete luftingselementer som er beskrevet i tidsskriftet H20, Vol 11, 1978, p. 107-113. I denne artikkel blir det påpekt i forbindelse med de skiveformete luftingselementer, at de opp-nådde, spesifikke oksygenoverføringsverdier er høye sammenliknet med andre systemer for finboblelufting. Maksimalverdien for de skiveformete luftingselementers oksygenoverføring er i denne artikkel oppgitt til 27,5% (tabell II).

I en bok av A. C. J. Koot, "Behandeling van Afvalwater"

(behandling av spillvann), utgitt av Waltman, Delft, Holland,

i 1974, er en verdi åv ca. 11% angitt som en spesifikk oksygen-overf øringsverdi for lufting ved innblåsing av fine luftbobler under relativt høyt trykk.

I forhold til disse verdier vil den optimale verdi av ca. 44% for oksygenoverføringsvirkningsgraden n, som kan oppnås ifølge foreliggende oppfinnelse, representere en vesentlig for-bedring .

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til fordeling av et gassformet, væskeformet eller pulverformet materiale i en væske ved at det i væsken roteres en propell som roterer med en hastighet som forårsaker kavitasjon og som er utstyrt med minst to blad med hvert sitt perforerte, hule parti som er forbundet med et forråd for materialet som skal fordeles, karakterisert ved at et kvantum av materialet som skal fordeles fremføres til kavitasjonene ved et trykk som er høyere enn væskens damptrykk i kavitasjonene, men som er lavere enn trykket av væsken som omgir kavitasjonene.

2. Apparat for anvendelse ved utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, til fordeling av et gassformet, væskeformet eller pulverformet materiale i en væske, omfattende en propell med minst to blad (2,3,4) som med hvert sitt perforerte hule parti i form av en kanal (5,6,7) er forbundet med et forråd for materialet som skal fordeles, karakterisert ved at perforeringene (12) er utformet på kanalens (5,6,7) bakside, sett i propellens rotasjonsretning, umiddelbart utenfor og stort sett parallelt med kanalens toppunktslinje (8), og at propellbladene, bortsett fra kanalene, som har kuppelformet profil, er massive og stort sett plane med regulerbar bladvinkel og har en form som fra bladspissen skråner utad i retning mot propellakselen, for at væsken langs propellbladet skal få tilnærmelsesvis jevn strømningshastighet under propellens rotasjon.