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Vorrichtung zur feinsten Verteilung von Gasen in Flüssigkeiten Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur feinsten Verteilung von Gasen in Flüssigkeiten.
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Unter »Gas« soll jedes beliebige Gas, sowohl rein als auch im Gemisch
mit anderen Gasen verstanden werden. Das Gas kann dabei auch mit flüssigen oder
staubförmigen Teilchen durchsetzt sein.
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Bekannte Vorrichtungen zur Verteilung von Gasen in FIüssigkeiten
bestehen aus einer zugleich zur Gaszufuhr dienenden Hohlwelle mit einer hohlen Nabe,
an die sich Hohlkörper anschließen, welche mittels der senkrecht angeordneten Welle
in dem die zu begasende Flüssigkeit enthaltenden Gefäß in Drehung versetzt werden.
Diese rotierenden HohLkörper haben meist die Form von langen Rohren oder Hohlflügeln,
die an ihrer Oberfläche Öffnungen für den Durchtritt des Gases und für dessen Verteilung
in der Flüssigkeit aufweisen. Besonders bewährt haben sich hierbei flügelartige
Hohlkörper mit stromlinienförmigem Querschnitt.
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Bei einer anderen Ausführungsform solcher Verteiler wird der rotierende
Hohlkörper zugleich als Pumpe für das Ansaugen des Gases durch seine Hohlwelle verwendet,
und die Austrittsöffnungen im Hohlkörper sind dabei so angeordnet, daß von diesen
oeffnungen ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch radial nach außen gegen die Leitflächen
eines das Gas verteilenden Stators geschleudert wird.
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Es ist auch schon bekannt, bei derartigen Gasverteilvorrichtungen
die radialen Leitvorrichtungen als rückseitig offene Hohlkeile auszubilden, die
je durch eine Zwisehenwand in einen radialen Gaszuleitungskanal und in einen rückseitig
offenen Keilhohlraum unterteilt sind. hm Keithohlraum entsteht dann bei der Rotation
der Leitvorrichtung ein Unterdruck, der durch Öffnungen in der Zwischenwand das
Gas aus dem radialen Zuleitungskanal ansaugt. Bei einer ähnlich arbeitenden Vorrichtung
sind die radialen Leitverrichtungen als Rohre ausgebildet, an deren äußerste Endteile
kurze rinnenartige Abschnitte angesetzt sind, die ebenfalls die Aufgabe haben, einen
örtlichen Unterdruck in der Flüssigkeit zwecks Ansaugung des Gases durch die radialen
Rohre zu erzeigen Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich deaeegenüber nicht
nur durch eine besondere Einfachheit, sondern auch dadurch aus, daß sie eine außerordentlich
feine Verteilung von Gasen in Fissigkeiten ermöglicht und Ausgestaltungen zuläßt,
durch die eine große Anpassungsfähigkeit an verschredgnartige Betriebserfordemisse
gewährleistet wird.
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Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung zur feinsten Verteilung
von Gasen in Flüssigkeiten ist in an sich bekannter Weise mit radial zu einer zumindest
angenähert vertikalen Drehachse angeordneten Leitvorrichtungen ausgestattet, die
auf der der Drehrichtung abgekehrten Seite offene Hohlräume bilden unterscheidet
sich aber von den bekannten Vorrichtungen dadurch, daß die Leitvorrichtungen im
wesentlichen über ihre gesamte radiale Länge als einfache, rückseitig durchgehend
offene Rinnen ausgebildet sind und mit so hoher Geschwindigkeit rotieren, daß auf
den Rückseiten der Leitvorrichtungen in der Flüssigkeit langgestreckte Vakuolen
entstehen. Die rinnenartigen Leitvorrichtungenkönnen an eine zur Gaszufuhr in bekannter
Weise hohl ausgebildete Nabe angesetzt sein, wobei dann die radial innenliegenden
Rinnenenden unmittelbar in die Nabe münden.
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Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Gases zu gewährleisten,
soll die Vakuole möglichst durch den gesamter Querschnitt des die Flüssigkeit enthaltenden
Gefäßes bewegt werden Es wird deshalb in bekannter Weise für die Flüssigkeit zweckmäßig
ein Gefäß mit Kreisonerschnift in Verbindung mit um die Mittelachse des Gefäßes
rotierenden, bis nahe zur Gefäßwand reichenden, radial verlaufenden Leitvorrichtungen
oder einem Stern solcher Leitvorrichtungen verwendet.
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Mit zunehmendem freiem Querschnitt der Vakuole, der mittels der rinnenartigen
Leitvorrichtung durch Vergrößerung der Profilhöhe der Rinne erzielt werden kann,
steigen der Impuls der die Vakuolenwandungen bildenden Flüssigkeitsstrahlen und
die Energie der abgehenden Wirbel in der sich hinter der Vakuole im Wirbelzopf vereinigten
Flüssigkeit.
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Durch Profilerhöhung ist es daher möglich, eine größere Gasmenge durch
die Vakuole zu transportieren und zugleich diese größere Gasmenge durch die vermehrte
Wirbelenergie in feine Blasen aufzulösen. Soll daher eine Begasungsvorrichtung mit
variablem Gasdurchsatz arbeiten, so wird erfindungsgemäß die Form, insbesondere
die sogenannte -chattenfläche (Stichhöhe) der Vakuole über die ganze Vakuolenlänge
oder einen Teil davon senkrecht zur Bewegungsrichung der Vakuole dem jeweiligen
Gasdurchsatz entsprechend geändert, wobei diese änderung gegebenenfalls unmittelbar
durch die in der Vakuole wirkenden Kräfte bewirkt werden kann. Zu diesem Zweck kann
beispielsweise die rinnenartige Leitvorrichtung in Längsrichtung in zwei Teile geteilt
sein, die um eine gemeinsame Achse schwenkbar sind.
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Soll der Gasdurchsatz bei praktisch gleicher Wirkung der Zerteilung
innerhalb weiter Grenzen variiert werden, so ist es zweckmäßig, der die Vakuole
erzeugenden Leitvorrichtung die Form eines elastisch verformbaren Flügels od. dgl.
zu geben, der an seiner LängsmitteIachse durch einen mit dem Antriebsmechanismus
der Verteilvorrichtung starr verbundenen Tragarm abgestützt wird. Wird eine solche
Vorrichtung in Umdrehung versetzt, so bildet der sich rinnenartig verformende elastische
Flügel die vordere Fläche der das Gas an die Verbrauchsstelle leitenden Vakuole.
Bei dem sich einstellenden Beharrungszustand muß an jeder Stelle des rotierenden
Flügels Gleichgewicht der bei der Rotation auf ihn wirkenden Kräfte bestehen. Diese
Kräfte sind einerseits die elastischen inneren Kräfte des Flügels, welche den Flügel
aufzuwölben bzw. auszuebnen suchen, und anderseits sind es der Druck der anströmenden
Flüssigkeit und der Unterdruck in der Vakuole, welche den Radius der Wölbung des
Flügels zu verkleinern suchen.
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Sinkt bei einer gegebenen Geschwindigkeit der Leitvorrichtung die
Menge des der Vakuole (z. B. über eine Hohlwelle) zuströmenden Gases, so wird der
Druck in der Vakuole geringer; dadurch werden die die Einwölbung des Fiügels bewirkenden
Kräfte größer, und es wird sich ein neuer Beharrungszustand mit geringerer Stichhöhe
(kleinerer sogenannter Schattenfläche) einstellen, bei dem der Leistungsverbrauch
der Vorrichtung geringer ist. Bei Vergrößerung der Gaszufuhr stellen sich die umgekehrten
Verhältnisse ein. Der elastische Flügel verformt sich demnach unter dem Einfluß
der einwirkenden Kräfte selbsttätig und paßt sich somit dem Gasdurchsatz an, wobei
der Leistungsverbrauch stets in angemessenem Verhältnis zum Gasdurchsatz steht.
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Die Zufuhr des zu verteilenden Gases muß nicht über eine Hohlwelle
in die Leitvorrichtungen erfolgen, vielmehr ist es im Rahmen der Erfindung möglich
und unter Umständen sogar zweckmäßig, dieses Gas mittels an sich bekannter Einrichtungen,
z. B. sogenannter Strahlrohre, von einer außerhalb der Leitvorrichtungen liegenden
Stelle aus den Vaknolen in Form grober Blasen von unten her
durch die Flüssigkeit
hindurch zuzuführen. Die feine Verteilung des Gases in der Flüssigkeit kommt dabei
dadurch zustande, daß die groben Gasblasen, sobald sie infolge ihres Auftriebes
oder infolge der durch die rotierenden Leitvorrichtungen hervorgerufenen Flüssigkeitsbewegung
in den Wirkungsbereich der Leitvorrichtungen gelangen, zu einem Teil bereits bei
der Berührung mit der durch die Flüssigkeit selbst gebildeten Wand der Vakuole infolge
turbulenten Strömung, zum anderen Teil aber am hinteren Ende der Vakuole bzw. in
ihrem Wirbelzopf in eine Vielzahl feiner Blasen aufgelöst werden.
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In den Zeichnungen sind schematisch verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt, an denen noch weitere Merkmale der Erfindung erläutert
werden sollen. Alle nicht unmittelbar mit der Erfindung zusammenhängenden Einzelheiten,
wie Antrieb, Zu- und Ableitung von Gas und Flüssigkeit aus dem zu begasenden Gefäß
usw., wurden fortgelassen.
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Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine bewegte erfindungsgemäße Leitvorrichtung
und durch die von dieser erzeugten Vakuole; Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene
Seitenansicht und Fig. 3 ein Horizontalabschnitt durch eine zweiarmige Verteilungsvorrichtung
gemäß der Erfindung; Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf eine dreiarmige Ausführung
einer erfingungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine verstellbare
Leitvorrichtung; Fig. 6 und 7 stellen ähnlich wie die Fig. 2 und 3 eine andere Ausführungsform
der Erfindung dar; Fig. 8 a, 8b und 9 a, 9b erläutern den Aufbau und die Wirkungsweise
der beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 verwendeten elastisch verformbaren
Leitvorrichtung.
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Bei der Verteilvorrichtung nach den Fig. 2 und 3 wird das zu verteilende
Gas über eine Rohrleitung al einer hohlen Nabe a zugeführt, die entweder von unten
her mittels einer Welle a2 oder aber von oben her mittels der in diesem Falle zugleich
als Hohlwelle dienenden Rohrleitungal in Drehung versetzt wird. Die hohle Nabe a
ist durch hohlkörperartige Verlängerungen a' mit den rinnenartigen Leitvorrichtungen
b verbunden, deren konkave oder offene Seite der Drehrichtung abgekehrt ist. Diese
Leitvorrichtungen b verlaufen von der Drehachse aus zweckmäßig geradlinig bis in
die Nähe der Gefäßwandung.
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Die Vorrichtung nach den Fig. 2 und 3 ist mit zwei diametral gegenüberliegenden
Leitvorrichtungen, die Vorrichtung nach Fig. 4 mit drei gleichmäßig winkelversetzten
Leitvorrichtungen ausgestattet. Die Anzahl dieser Leitvorrichtungen kann natürlich
noch weiter erhöht werden, solange die von einer Leitvorrichtung erzeugte Vakuole
nicht durch die nachfolgende Leitvorrichtung gestört wird.
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Wird eine Verteilvorrichtung der beschriebenen Art im Sinne der in
den Fig. 3 und 4 eingezeichneten Pfeile derart in Drehung versetzt, daß die konkaven
Seiten der Leitprofile der Drehrichtung abgekehrt sind, so werden diese Profile
bzw. die Leitvorrichtungen von der sie umgebenden Flüssigkeit in der in Fig. 1 gezeigten
Weise umströmt. Die dem Leitprofil b am nächsten liegenden Flüssigkeitsfäden bilden
eine Vakuole V, in deren Innerem das z. B. über die Hohlwelle al, die Nabe a und
deren Verlängerung a' durch die Austrittsöffnungc zuströmende Gas sich nach außen
fortbewegt. Dabei wird das Gas
zum Teil bereits durch die die Vakuole
umströmende Flüssigkeit in kleine Blasen aufgelöst, im wesentlichen aber erst im
Wirbelzopf der Vakuole zu feinsten Blasen zerrieben und mit der umgebenden Flüssigkeit
vermischt.
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Soll die Menge des in der Flüssigkeit zu verteilenden Gases bei jeweils
angemessenem Leistungsverbrauch variiert werden, so kann die senkrechte Höhe (sogenannte
Schattenfläche) der die Vakuole erzeugenden Leitvorrichtung b gemäß Fig. 5 verstellbar
eingerichtet werden, etwa indem die Leitvorrichtung aus zwei achssymmetrischen Teile'
und b" hergestellt wird, die um eine gemeinsame Scharnierachse x schwenkbar sind.
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In noch vollkommenerem Maße kann die feinste Verteilung einer innerhalb
weiter Grenzen varrierbaren Gasmenge bei der Vorrichtung nach den Fig. 6 und 7 erzielt
werden.
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Gemäß den Fig. 6 und 7 sind mit dem von der Achse al oder a2 in Drehung
versetzten Hohlkörper a, a' stabartige Arme bl aus widerstandsfestem Material starr
verbunden. Diese Arme tragen an ihrer in der Drehrichtung liegenden Vorderseite
elastisch verformbare flügelartige Bauteile d, die im Ruhezustand einen flachen
Querschnitt gemäß Fig. 8 a, im Betriebszustand hingegen eine konkav gekrümmte Gestalt
gemäß Fig. 8b haben. Wird diese Vorrichtung über die Hohlwelle a1 in Drehung versetzt,
so verformt sich der elastische Flügel d zufolge der Verschiedenheit der von beiden
Seiten her auf ihn einwirkenden Drücke. Der Flügel d nimmt daher in der Flüssigkeit
die in Fig. 9 a (bzw. für einen gesteigerten Gasdurchsatz in Fig. 9b) angedeutete,
konkav verformte oder rinnenartige Gestalt an. Die Füssigkeitsschichten werden,
von der Zuströmseite ausgehend, abgelenkt und schließen sich in einiger Entfernung
wieder bis zu einem gewissen Grad. Es entsteht also eine Vakuole V. Die Höhe und
Länge dieser Vakuole V sind von der Menge des die Vakuole durchströmenden Gases
abhängig.
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Der Flügel d kann aus Gummi oder Kunststoff von entsprechender Elastizität
oder auch aus einem dünnen Metallblech bestehen. Wird der Flügel d aus Metall, z.
B. aus dünnem Blattfederstahl, gebildet, so wird er zweckmäßig mit einer gegen chemische
Angriffe widerstandsfähigen Verkleidung aus Gummi, Kunststoff od. dgl. versehen.
Die beiden Längsseitenränder dieser Verkleidung können über die dann das z>Rückgrat«
der Leitfläche bildende Stahleinlage (Blattfeder) hinausreichen, um eine größere
Schmiegsamkeit des Flügels zu erzielen.
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Hat ein sonst insbesondere in bezug auf seine Widerstandsfähigkeit
gegen chemische Einflüsse ge-
eigneter Baustoff eine zu geringe Widerstandsfähigkeit
gegen Biegung, so kann er durch eine federnde Vorrichtung, deren Spannkraft gegebenenfalls
verstellbar sein kann, für den vorliegenden Zweck verwendbar gemacht werden.