DE3616680C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Begasungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer nach der DE-PS 16 67 042 bekannten Begasungsvorrich­ tung dieser Art wird über eine zentrale Luftleitung axial angesaugte Luft mit vom Rotor axial angesaugter Flüssigkeit unter inniger Vermischung radial auswärts in den Stator gefördert, der aus zwei mit axialem Abstand voneinander angeordneten Ringscheiben und aus zwischen diesen Ringscheiben eingesetzten vertikalen Leitwänden besteht. Diese Leitwände schließen untereinander Winkel zwischen 22,5 und 30° ein. Die im Querschnitt recht­ winkeligen Strömungskanäle divergieren dadurch sehr stark nach außen, wodurch das ausströmende Gas-Flüssigkeitsgemisch sehr turbulent wird und die Geschwindigkeit desselben beim Verlassen des Stators schon stark reduziert wird. Dadurch kommt die Strö­ mung in relativ geringer Entfernung vom Stator zum Stillstand. Auf diesem Weg vom Stator bis zum Stillstand gibt das Gas- Flüssigkeitsgemisch das Gas in Form feiner Blasen ab, welche aufsteigen. Es wird also nur der Bereich zwischen Stator und den äußersten Spitzen der Strömung gleichmäßig belüftet. Da für bestimmte Fermentationen, beispielsweise für die submerse Essiggärung, eine gleichmäßige Belüftung des gesamten Substrats Voraussetzung ist, bedeutet dies, daß der Durchmesser des die zu belüftende Flüssigkeit aufnehmenden Behälters ein bestimmtes Maß nicht übersteigen darf, um bei einer vorgegebenen Rotor­ leistung eine gleichmäßige Belüftung der Flüssigkeit über den gesamten Behälterquerschnitt sicherzustellen.

Bei einer nach der FR-PS 24 44 494 bekannten Vorrichtung zum Eintragen von Gas in Flüssigkeit wird durch eine nahe am Boden eines Behälters mit senkrechter Achse angeordnete Pumpe eine Zirkulation der Flüssigkeit von oben nach unten in Gang ge­ bracht unter Zuhilfenahme eines die schräg gestellten Pumpen­ flügel umgebenden, unten und oben offenen Hohlzylinders, der unten schräge Auslaufbleche besitzt, die die Strömung unten horizontal umlenken. Der Hohlzylinder ist doppelwandig mit porösen Austrittsflächen innen. Die Luft wird unter einem Druck, der höher als der statische Flüssigkeitsdruck sein muß in den doppelwandigen Hohlzylinder eingeleitet und tritt durch die poröse Innenfläche in die nach unten strömende Flüssigkeit aus, welche die Gasblasen mitnimmt. Die Luft-Flüssigkeitsmischung tritt dann in ein am Boden des Behälters angeordnetes etwa qua­ dratisches Verteilerprisma ein. An jede der vier senkrechten Flächen des Verteilerprismas schließen jeweils zwei Verteiler­ kanäle mit etwa quadratischem Querschnitt an, die die Luft- Flüssigkeitsmischung nach außen fördern. Diese Verteilerkanäle schließen innen ans Verteilerprisma in Abständen voneinander an, die etwa ihrer 1-2fachen Kantenlänge entsprechen, und sind gegenüber Radialrichtung in Drehrichtung der Pumpe ge­ neigt. Überdies knicken sie auf halbem Weg nach außen nochmals um etwa 30° in gleicher Richtung weiter ab.

Die von der Pumpe erzeugte horizontal nach außen umgelenkte Luft-Flüssigkeitsströmung staut sich im quadratischen Verteiler­ prisma bevor sie in die Verteilerkanäle eintreten kann, da die Eintrittsöffnungen soweit voneinander entfernt sind, daß der Eintrittsquerschnitt nur etwa ²/₅ und der Zwischenraum ³/₅ des Gesamtquerschnittes beträgt. Dies bedingt einen großen Druck­ verlust und damit unnützen Kraftaufwand. Diese Vorrichtung wäre daher auch nicht geeignet mit Selbstansaugung des Gases zu ar­ beiten. Da die Verteilerkanäle durch ihr nochmaliges Abknicken weitere Strömungsenergie vernichten, ist der Kraftbedarf dieser Vorrichtung zur Belüftung eines größeren Behälterquerschnittes mit einer gegebenen Luftmenge relativ hoch.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Begasungs­ vorrichtung zu schaffen, die unter Verwendung möglichst verlust­ armer Strömung einen großen Behälterquerschnitt mit geringem Kraftaufwand gleichmäßig zu begasen gestattet.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln.

Durch die Anordnung der Ein­ trittsöffnungen der Strömungskanäle unmittelbar nebeneinander wird die durch den Rotor bereits horizontal zugeführte Gas-Flüssig­ keitsmischung praktisch verlustlos in die Strömungskanäle ein­ geleitet. Da die Strömungskanäle durch keilförmige Zwischen­ räume voneinander getrennt sind, deren Scheitel zwischen den unmittelbar benachbarten Eintrittsöffnungen liegen, verlaufen die Strömungskanäle gerade und ungeknickt, was weitere Strömungs­ verluste vermeidet. Da die im wesentlichen vertikal verlaufenden seitlichen Begrenzungsflächen eines jeden Strömungskanals um höchstens 7° von der Parallelität abweichen, wird die Strömung laminar ausgerichtet, wodurch die äußersten Spitzen der Strömung erst in wesentlich größerer Entfernung vom Stator zum Stillstand kommen, so daß dadurch eine gleichmäßige Belüftung eines großen Behälterquerschnitts sicher bewerkstelligt werden kann.

Dabei ergeben sich besonders vorteilhafte Konstruktionsverhält­ nisse, weil die Größe und Formgebung des Rotors das Auswurfvolumen von Luft und Flüssigkeit und damit die gewünschte Belüftungsrate bestimmen, während die Ausbildung der Strömungskanäle des Stators für die Reichweite des ausgestoßenen Luft-Flüssigkeitsgemisches verantwortlich ist. Divergieren die vertikalen Begrenzungsflächen der Strömungskanäle gegen den Außenumfang des Stators, so wird die Austrittsgeschwindigkeit des Luft-Flüssigkeitsgemisches gegenüber seiner Eintrittsgeschwindigkeit in den Stator ver­ ringert. Diese Maßnahme wird bei nicht zu großen Behälterdurch­ messern gewählt. Soll für sehr große Behälterdurchmesser die Austrittsgeschwindigkeit aus den Strömungskanälen gesteigert werden, so wird eine Konvergenz der seitlichen Begrenzungsflächen der Strömungskanäle gegen den Statoraußenumfang gewählt. Der Winkel zwischen den seitlichen Begrenzungsflächen der einzelnen Strömungskanäle darf dabei allerdings 7° nicht übersteigen, damit laminare Strömungen sichergestellt und Wirbelbildungen mit Ver­ lusten weitgehend verhindert werden können.

Mit zunehmendem Behälterdurchmesser ist darauf zu achten, daß der Abstand zwischen den Strömungen zweier benachbarter Strömungskanäle im Bereich der Behälterumfangswand nicht zu groß wird, damit eine gleichmäßige Belüftung der Behälterflüssigkeit auch im Bereich der Umfangwand des Behälters gewährleistet werden kann. Um auch bei größeren Behälter­ durchmessern einen zulässigen Maximalabstand zwischen den Strömungen benachbarter Kanäle nicht zu überschreiten, ist folglich für eine entsprechende Anzahl von Strömungskanälen zu sorgen.

Die Strömungskanäle können unterschiedlich ausgebildet sein. So ist es beispielsweise möglich, die Strömungskanäle durch Stegbleche zu bilden, die zwischen zwei mit axialem Abstand voneinander angeordneten Ringscheiben vorgesehen sind. Eine besonders vorteilhafte Konstruktion ergibt sich allerdings, wenn die Strömungskanäle aus auf einer Ringscheibe aufge­ setzten U-Profilen bestehen. Diese Ausbildung bietet nicht nur vorteilhafte Herstellungsbedingungen mit einem vergleichs­ weise geringen Materialaufwand, sondern erlaubt auch eine einfache Statorreinigung, weil die Zwickelbereiche zwischen den einzelnen die Strömungskanäle bildenden U-Profilen frei zugänglich sind.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Belüftungsvorrichtung für Flüssig­ keiten in einer zum Teil aufgerissenen, schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 den Stator dieser Belüftungsvorrichtung in einer zum Teil aufgerissenen Draufsicht,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Strömungskanal nach der Linie III-III der Fig. 2 in einem größeren Maßstab,

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung einer Kon­ struktionsvariante eines Strömungskanals,

Fig. 5 einen Horizontalschnitt durch einen Stator mit nach außen divergierenden Strömungskanälen und

Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung eines Stators mit nach außen konvergierenden Strömungskanälen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht die dar­ gestellte, unmittelbar über einem Behälterboden 1 ange­ ordnete Belüftungsvorrichtung im wesentlichen aus einem Rotor 2, der von einem Motor 3 her angetrieben wird, und einem den Rotor 2 umgebenden Stator 4. Die vertikale Rotor­ welle 5 durchsetzt dabei den Behälterboden 1, an dem der Motor 3 angeflanscht ist. Die in die Flüssigkeit des Behäl­ ters einzutragende Luft wird über eine Luftleitung 6 ange­ saugt und axial dem Rotor 2 zugeführt, der über eine Ring­ öffnung 7 des Stators 4 zugleich Flüssigkeit aus dem Be­ hälter ansaugt und mit der Luft in den Stator fördert, wie dies durch die Strömungspfeile angedeutet ist.

Im Stator 4 wird das Flüssigkeit-Luft-Gemisch in Strömungs­ kanälen 8 aufgenommen, die gemäß den Fig. 1 bis 3 durch vertikale Stege 9 gebildet werden, die zwischen zwei Ring­ scheiben 10 und 11 eingesetzt sind. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß benachbarte Stege 9 unmittelbar nebenein­ ander angeordneter Strömungskanäle 8 gegen den Außenumfang des Stators 4 hin divergieren, so daß die vertikalen Be­ grenzungsflächen der Strömungskanäle 8 zueinander parallel verlaufen. Diese Ausbildung bewirkt eine annähernd der Ein­ trittsgeschwindigkeit des vom Rotor 2 in den Stator 4 ge­ förderten Flüssigkeit-Luft-Gemischs entsprechende Austritts­ geschwindigkeit der Strömung aus den Strömungskanälen 8, so daß sich aufgrund der vergleichsweise hohen Austritts­ geschwindigkeit die Strömung über einen großen Radius in den Behälter fortsetzt. Damit wird eine gleichmäßige Be­ lüftung auch von Behältern größerer Durchmesser sichergestellt, wenn durch eine entsprechende Anzahl an Strömungskanälen dafür gesorgt wird, daß die Strömungen benachbarter Strö­ mungskanäle vor allem gegen den Bereich der Umfangswand des Behälters hin nicht zu stark divergieren.

Wie Fig. 4 zeigt, kann eine besonders einfache Statorkon­ struktion dadurch erhalten werden, daß die Strömungs­ kanäle 8 durch U-Profile 12 gebildet werden, die auf einer Ringscheibe 13 aufgesetzt sind. Diese Ausbildung gewähr­ leistet nicht nur eine einfache Herstellung, sondern bietet auch Vorteile hinsichtlich der Statorreinigung, weil die Zwickelbereiche zwischen benachbarten Strömungskanälen frei zugänglich sind.

Um die für die Belüftung eines Flüssigkeitsbehälters mit einem bestimmten Durchmesser erforderliche Austrittsge­ schwindigkeit des Flüssigkeit-Luft-Gemischs aus dem Stator bei einer gegebenen Rotorleistung festlegen zu können, können die vertikalen Begrenzungsflächen der einzelnen Strömungskanäle 8 von ihrem parallelen Verlauf abweichen. Werden beispielsweise die Stege 9 der einzelnen Strömungs­ kanäle 8 gegen den Außenumfang des Stators 4 hin divergie­ rend angeordnet, so ergibt sich eine Verlangsamung der Strömung innerhalb der Strömungskanäle 8. Der Winkel α, zwischen den vertikalen Stegen 9 darf dabei 7° nicht übersteigen, da sonst mit einer vermehrten Wirbelbildung zu rechnen ist, was die Reichweite der aus den Strömungs­ kanälen 8 austretenden Strömung stark einengt.

Soll die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Außenum­ fangs des Stators 4 gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit gesteigert werden, so können die Stege 9 nach außen hin kon­ vergieren, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Auch in diesem Fall ist der Winkel α zwischen den vertikalen Stegen 8 der einzelnen Strömungskanäle auf höchstens 7° zu begrenzen.

Mit Hilfe der dargestellten Belüftungsvorrichtung gelingt es durch die besondere Ausbildung des Stators Flüssig­ keit über größere Grundflächen gleichmäßig zu belüften, wobei sich diese Belüftungsvorrichtung vor allem für den Einsatz bei der submersen Essiggärung, bei der Hefeherstel­ lung oder bei der Abwasserreinigung anbieten.

Es können beispielsweise sehr unterschiedlich aufgebaute Rotoren eingesetzt werden, wobei es z. B. möglich ist, Flüssigkeit nicht nur entsprechend Fig. 1 einseitig, sondern beidseitig des Rotors anzusaugen. Die Rotorkonstruktion kann auch so ausgeführt werden, daß die Luft von unterhalb des Rotors angesaugt wird und der Motor in Form eines Tauchmo­ tors bekannter Konstruktion im Behälter über dem Rotor mon­ tiert wird. Natürlich kann auch jedes andere Gas als Luft angesaugt und in irgend einer gegebenen Flüssigkeit verteilt werden. In Abhängigkeit von der Rotorausbildung ist dann die Neigung der Strömungskanäle 8 gegenüber der radialen Richtung festzulegen. Darüber hinaus können benachbarte Stege 9 unmittelbar nebeneinander an­ geordneter Strömungskanäle 8 durch einen gemeinsamen Zwi­ schenkörper gebildet werden, der in seinem Grundriß keil­ förmige Gestalt aufweist, damit wiederum die vertikalen Begrenzungsflächen jedes Strömungskanals zumindest im wesentlichen parallel verlaufen.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Begasen einer Flüssigkeit mit einem eine im wesentlichen vertikale Drehachse aufweisenden Rotor, der im Bereich des Behälterbodens angeordnet ist, mit einer Zu­ leitung für das Gas zum Rotor, und einem den Rotor umgebenden Stator, der mittig eine Öffnung aufweist, durch die der Rotor Flüssigkeit aus dem Behälter ansaugt und der einen geschlosse­ nen Kranz von Strömungskanälen aufweist, die Eintrittsöffnun­ gen für das von dem Rotor zugeführte Flüssigkeits-Gasgemisch haben, wobei die Strömungskanäle gegenüber der Radialrichtung in Drehrichtung des Rotors geneigt und durch Zwischenräume voneinander getrennt sind und eine solche Länge aufweisen, daß auch eine Belüftung über einen größeren Behälterquerschnitt möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen der Strömungskanäle unmittelbar nebeneinander liegen, daß die Strömungskanäle durch keilför­ mige Zwischenräume voneinander getrennt sind, deren Scheitel zwischen den unmittelbar benachbarten Eintrittsöffnungen lie­ gen, und daß die im wesentlichen vertikal verlaufenden seit­ lichen Begrenzungsflächen eines jeden Strömungskanals einen Winkel von höchstens 7° (konvergierend oder divergierend) einschließen.