DE20108559U1 - Förderkopf für Wasserpumpen - Google Patents

Description

A. Hinführung zum Thema : Einsatz von sog. Dispergatorpumpen in der Aquaristik In der Aquaristik werden zur Reinigung des Wassers , erforderlich wegen darin enthaltener Biomasse , wie Fische, Korallen , Pflanzen mit Stoffwechseltätigkeit und Ausscheiden von Restprodukten sowie wegen Absterbebeprozessen neben anderen Filtertechniken , Abschäumer eingesetzt.

Zum Verständnis dieser Rlterart sind nachfolgend die Grundlagen aus physikalischtechnischer Sicht aufgelistet.

1. Abschäumung ist ein auf elektrostatisch-physikalischen Grundlagen beruhender Vorgang , bei dem an der elektrostatisch geladenen Oberfläche der Luftblasen im Wasser insbesondere Eiweisse und feine Schmutzpartikel mit gegenteiliger Ladung angelagert werden. Diese Anlagerung resultiert aus der unterschiedlichen elektrostatischen Ladung. Wird nun bei Aufsteigen der Blasen in einem Gefäss der Schaum verdichtet, also die Wasseranteile mehr und mehr abgeschieden , verbleibt zuletzt trockener Schaum , der konzentriert Eiweisse und Schmutzpartikel enthalt. Nach Auswurf in einen Sammelbehälter mit Zerplatzen der Blasen verbleiben die gen. Wasserverunreinigungen und geringe Wasseranteile.

2. Im Seewasser kann der Durchmesser von Luftblasen kleiner als 1 mm betragen , da die Oberflächenspannung kleiner als vergleichsweise im Süsswasser ist. Voraussetzung zur Erzeugung kleinster Blasen ( und der entsprechenden grossen Oberfläche fur eine o.gen. Reaktion) ist die Eimspeisung der Luft mittels Ausströmersteinen aus Keramik oder Lindenholz mit feinsten Kapillaren einer modifizierten Pumpe , welche in ihrer Arbeitsweise derart verändert, dass diese in ihrem einsaugenden Wasserstrom per erzeugten Unterdruck Luft miteinsaugt, diese dann vom rotierenden Förderrad feinperlig zerschlagen wird und aus dem Auslass der Pumpe ein Wasser-Luftgemisch austritt.

3. Die Gehäuseform , in der dieser Vorgang optimiert ablaufen kann , entspricht in der Praxis einem Rohr, welches sich nach oben konisch verjüngt Die Zufuhr der Blasen oder des Blasen-Wassergemisches erfolgt von unten. Siehe Fig. 1

4. Mit dieser Filtermethode werden dem Wasser Stoffe entzogen, um eine Nährstoffanreicherung des Wassers zu verhindern ( Eutrophierung). Ein Nebeneffekt ist die Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff, welche ein Steigen des Redoxpotential ( mV/cm) bewirkt.

5. Jede (Abschäumer) Gehäusegrosse benotigt eine entsprechende Luftmenge, um stabilen Schaum zu produzieren. Ferner muss eine Mindestdurchflussrate und Kontaktzeit gegeben sein , damit Abschäumprozesse überhaupt erfolgen können.

6. Eine jeweilige Konfiguration , gemessen am Ergebnis und Einsatz, hat einen adäquaten Energieverbrauch. Dieser liegt bei Fertiggeräten des Fachhandels von 10 Watt bis 2 KiloWatt, mit entsprechenden Einsatzbereichen von 100 L bis 10.000 L Aquariumwasser.

B. Beschreibung des momentanen technischen Stands Die unter A. 2 beschriebene Arbeitsweise von modifizierten Pumpen werden Dispergatorpumpen genannt.

Diese Dispergatoren erhalten in ihrer Einsaugöffnung eine Düse mit verengtem Querschnitt.

Der Querschnitt ist kleiner als der , der Originalpumpe. Nun erzeugt die Pumpe bei Betrieb einen Unterdruck, der benutzt wird , um Luft miteinzusaugen. Siehe Fig. 2 Weiter werden in diesen Dispergastorpumpen spezielle Laufräder zum Einsatz gebracht, welche die Aufgabe haben, die eingesogene Luft zu feinsten Blasen zu zerschlagen, um eine grosse Reaktionsoberfläche zu erhalten. Zum Einsatz in diesen Konfigurationen kommen vorzugsweise Tauchpumpen mit Permanent-Magnet-Läufern , bei denen das geförderte Medium gleichzeitig die Kühlung der Pumpe sicherstellt.

Somit erklärt sich zwingend , dass Dispergatorpumpen ( Betriebsart: Erzeugung eines Wasser-Luft-Gemisches ) einen entsprechenden Anteil Wasserdurchsatz behalten müssen, um die Kühlung der Pumpe zu gewährleisten - also der eingesogene Anteil Luft nicht beliebig erhöht werden kann, da es sonst zu einem Trockenlauf der Pumpe käme.

Die o. erw. speziellen Laufrader weisen folgende Konstruktionsmerkmale auf :

1. Sternnadelrad

Anstelle der Förderflügel ( Siehe Fig. 3 ) werden kreisförmig nadelartige Stäbe ( Stifte ) im 90-Grad Winkel zur Längsachse des Läufers angeordnet.

Siehe Fig. 4

1. Stiftwalzenrad

Anstelle der Förderfiügel wird eine Scheibe eingesetzt, die einseitig kleine Stifte aufweist, die zur Längsachse des Läufers parallel versetzt positioniert sind.

Die unter B. 1 und 2 beschriebenen Laufräderkonstruktionen sind eingetragene Patente in Deutschland , finden gewerbsmässig Anwendung in der Aquaristik /Meerwasseraquaristik und stellen derzeit einen technischen Standard dar.

Bei den von uns untersuchten Geräten verschiedener Hersteller ergaben sich folgende Daten bei Beachtung der verbrauchten elektrischen Energie und der Bauhöhe der Reaktionsgehäuse:

Bauhöhe gesamt ,geringer als 55 cm sowie

Stromverbrauch der Dispergatorpumpen von 38 Watt bis 49 Watt ergaben sich folgende Werte :

Lufteizug von max. 450 L/h

verbleibender Wasserdurchsatz von 350 L/h bis 600 L/h Die ermittelten Werte beziehen sich auf Tauchpumpen von 2 verschiedenen Herstellern, die zur Modifikation als Dispergatorpumpen weitverbreitet Verwendung finden.

Zur Leistungssteigerung werden von verschiedenen Herstellern bis zu 8 Pumpen dieser Art an einem grösseren Reaktionsgehäuse gleichzeitig betrieben.

. Grenzen des Einsatzes und Mängel, der unter B. beschriebenen technischen Ausführungen.

1. Mitbestimmende physikalische Parameter

2. Verlust der Förderleistung

3. Eingeschränkte Verwendung

Diese physikalischen Parameter müssen optimal gegeben sein und sind im einzelnen folgende:

1.1 Salinität oder Salzdichte; diese sollte im Bereich von 1.018 bis 1.024 liegen , dies entspricht einem Leitwert von 47 - 55 mS , bei 25 Grad Celsius.

1.2 Die Temperatur sollte unter 30 Grad Celsius betragen, da bei höheren Temperaturen die Blasen das Bestreben haben , sofort nach Eintritt in das Reaktionsgehäuse , sich wieder zu grösseren Blasen zusammen zu schliessen.

1.3 Inhaltsstoffe des Wassers , hier, neben gelösten Salzen , besonders Fette und andere gelöste organische Verunreinigungen , welche die Oberflächenspannung des Wassers nachhaltig verändern. Ferner begünstigt das Wachsen von Bakterienrasen auf den Innenseiten der Reaktionsgehäuse einen optimalen Betrieb , der sich erst nach Einlaufen von einigen Tagen bis hin zu einer Woche zeigen kann.

1.4 Die Wassersäule des Reaktionsgehäuses (Siehe A.l ) erzeugt auf die einspeisende Pumpe einen Gegendruck. Mit steigender Wassersäule sinkt adäquat die eingesogene Menge der Luft und der Anteil des geförderten Wassers ( Wasserdurchsatz) steigt Wir ermittelten bei den von uns untersuchten Geräten verschiedener Hersteller eine zulässige Höhe der Wassersäule von ca. 40-45 cm. Danach reisst der Lufteinzug ab oder sinkt auf Werte , die den Betrieb als wenig optimal erscheinen lassen.

1.5 Die Pumpen werden mit einer Spannung von 220 V Wechselpannung bei 50 Hz betrieben. Dies definiert eine entsprechende Umdrehungszahl bei Null-/bzw. Vollast Diese Rotation des Laufrades ( unabhängig von seiner Bauform ) und die unter 1.1 bis 1.4 erklärten Berdingungen haben einen ersten, entscheidenden Einfluss auf die Blasengrösse und deren Reaktionspotential. Erst in zweiter Hinsicht kommt u.E. nach eine besondere Form des Läufers , wie unter B.l und B.2 beschrieben, zur Geltung. Ferner gibt es kein verifizierbares Messverfahren , welches nachvollziehbar die Menge und Grosse der Blasen einem adäquaten Reaktionspotential zuweist.

Zu C. 2 Bei Verwendung eines speziellen Laufrades, wie unter B.l und B.2 beschrieben, ergibt sich folgende Einschränkung :
Die modifizierte Pumpe lässt keine andere Betriebsart mehr zu . Die Druckhöhe der geförderten Wassersäule und die Wassermenge sinkt auf ca. 20 - 25 % - gemessen an den ursprünglichen Daten bei Einsatz ohne Modifikation. In diesem Zusammenhang ist die Frage der Kühlung besonders zu beachten ,da diese vom geförderten Medium gegeben sein muss..Hier sind mit Sicherheit technische Grenzbedingungen erreicht, die in Extremsituationen (

z.B. technischer Defekt der Heizung mit starker Erwärmung des Wassers o.a.)

wenig Kompensationsspielraum bieten.
Zu C. 3 Die beschriebenen speziellen Laufräder lassen sich bei gewerblicher Vermarktung nur günstig im Spritzgussverfahren herstellen. Dies schränkt die Auswahl der verwendbaren Rohmaterialien ein. Wir beobachteten Versprödung und Abbrechen der Stifte und Nadeln bei Einwirken von Festpartikeln im Einsaugstrom.

D. Beschreibung der Neukonstruktion eines Laufrades für Wasserpumpen.

Hier wurde folgende Zielvorgabe gesetzt:

1. Das Laufrad soll eingesaugte Luft feinperlig zerschlagen

2. Der anteilig geförderte Wasserstrom im Dispergatorbetrieb sollte gesteigert werden , im Vergleich zu dem unter C.2 beschriebenen Effekt.

3. Das Laufrad soll höchste mechanische Stabilität bei geringstem Gewicht aufweisen und die Verwendung von optimalen Werkstoffen ( bezogen auf den Einsatzbereich) zulassen.

4. Das Laufrad soll die Verwendung als Dispergatorpumpe und als Wasserpumpe mit verbesserten Daten ( Druckhöhe und Wassermenge) ohne weitere Veränderung zulassen.

5. Das Laufrad soll Luftmengen einsaugen, welche deutlich grosser sind , als die von Vergleichsgeraten und somit die Wirtschaftlichkeit ( verbrauchte Energie) steigern , ferner den Einsatz von bis zu 8 Pumpen bei Grossgeräten durch eine oder zwei Pumpen zu optimieren.

Im einzelnen wurden diese Ziele durch nachfolgend beschriebene Konstruktion erreicht. Betrachtet man handelsübliche Magnetläufer von Tauchpumpen mit Leistungen von 300 bis ca. 7000 Liter Wasserdurchsatz pro Stunde und adäquater Stromaufnahme von 5 Watt bis 100 Watt, welche in der Aquaristik Verwendung finden , stellt man fest, dass alle Läufer dem Schema entsprechen, wie in Fig. 5. dargestellt.

Die wirksame Fläche der Förderflügel ( Breite &khgr; Höhe) ausgestattet mit einem entsprechenden Antrieb ( Permanentmagnet / Pumpenwicklungen) bestimmen die Leistungsdaten der Pumpe . Durch Einsatz einer Scheibe , die als gemeinsame Basis alle Förderflügel aufnimmt, ergibt sich ein zusätzlicher Konstruktionsraum im Zwischenbereich der benachbarten Flügel. Siehe Fig. 6 Hier kommen nun mittig weitere Flügel in Position , welche die gesamte Förderfläche, je nach Länge der Zusatzflügel, um bis zu 60 % steigern. Hier begrenzen die elektrischen Daten der Pumpe ( maximale Stromaufnahme und resultierende Erwärmung) den Grad der Leistungssteigerung durch die Länge der Zusatzflügel. Siehe Fig. 7 Nachvollziehbare Tests zeigten , dass eine 50 %/ige Erhöhung der Förderfläche , dies entspricht

Lange Zusatzflügel = 50 % Länge Hauptflügel, bei insgesamt 6 Tauchpumpen von 3 verschiedenen Herstellern gute Ergebnisse , im Rahmen der unter D.l bis D.5 genannten Vorgaben, lieferten.

Der Betrieb war stabil und eine zusätzliche Erwärmung nicht feststellbar.

Ferner wirkt diese Scheibe als zusätzliche Schleuderscheibe, die den geförderten Wasserstrom stabilisiert.

Diese Scheibe erhalt einen Ausstich in Position Mitte Zusatzflügel von 3-4 mm Breite. Die Tiefe des Ausstiches erfolgt bis auf halbe Höhe in die Zusatzflügel hinein .

Ein weiterer Ausstich im entsprechenden Abstand zum Zentrum mit gleicher Tiefe lässt nun die FörderflUgel in der Figur als breitgezinkten Kamm erscheinen .

Die Ausstiche gewährleisten eine genügend grosse Öffnung zum Zweck des Wassertransportes in den Läuferraum hinein und sichern somit ausreichende Kühlung durch das geforderte Medium. Siehe Fig. 8

Da alle konstruktiven Elemente des Läufers über die Scheibe noch miteinander im Verbund stehen ergibt sich eine hohe Steifigkeit, auch gegen Torsionskrafte bei Rotation.

Die Ausstiche ergeben die zusätzliche Möglichkeit, das Gesamtgewicht des Läufers jeder Gegebenheit ( Rotationsmasse an Pumpendaten ) anzupassen.

Fig. 9 zeigt eine räumliche Darstellung des Gesamtläufers von hinten.

Im einzelnen erbrachte die Verwendung dieses Läufers bei Einbau in eine handelsübliche Gartenteichpumpe mit Originaldaten It. Hersteller :

Typ 1 = 55 Watt / 3000 Liter / Std. bei max. 4 Meter Druckhöhe Typ 2 =100 Watt / 7000 Liter / Std. bei max. 4 Meter Druckhöhe

bei Verwendung als Dispergatorpumpe folgende Messergebnisse :

Typ 1 = 55 Watt / max. 1200 Liter / Std. Luftansaugung mit verbleibendem Wasserdurchsatz von ca. 1000Liter/Std.

Typ 2 = 100 Watt / max. 1650 Liter / Std. Luftansaugung mit verbleibendem Wasserdurchsatz von ca. 2000 Liter/Std.

Der Betrieb erfolgte an einem entsprechenden Reaktionsgehäuse , welches die Betriebsbedindungen und Dimensionen handelsüblicher Fertiggerate einhält.

Die Menge der eingesogenen Luft konnte auf das 3-fache gesteigert werden , gemessen am Stromverbrauch. Der Wasserdurchsatz erhöhte sich ebenfalls um diesen Faktor.

Verschliesst man die Luftansaugung , so arbeitet die Pumpe weiter als reine Förderpumpe , mit erhöhten Leistungsdaten.

Die Arbeitsweise war bei den o.erw. Pumpentypen bei beiden Betriebsarten geräuschlos.

Datum: 13.8.2001

Konstruktion eines Förderkopfes fur Wasserpumpen zum Einsatz als Dispergatorpumpen

A. Hinführung zum Thema

B. Beschreibung des momentanen technischen Stands

C. Grenzen des Einsatzes und Mängel der unter B. beschriebenen technischen Ausführungen

D. Beschreibung der Neukonstruktion eines Laufrads

E. Definition der Schutzansprüche

F. Fig. 1 bis Fig. 9

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Erläuterungen zu Fig.

1. Reaktionsgehäuse

2. Treiberpumpe

3. Sammelbehälter

4. Wasseraustritt

5. Einspeisung Wasser-Luftgemisch

6. Luftzuleitung

7. Wasserzuleitung

8. Lufteinsaugdüse

Erläuterungen zu Fig. 2

1. Pumpenkörper

2. Austrittsöffnung

3. Läufermagnet mit Förderflügel auf Führungsachse

4. Luftanschlußnippel

5. Lufteinyugsdüse

6. Einsaugkanal

7. Magnetläuferraum

8. Elektromagnetische Wicklungen

Claims (1)

1. Wir begehren Schutz im Sinne des Gebrauchsmusterschutzes
   für die Konstruktion eines Förderrades, eingesetzt in Wasserpumpen, zur Behandlung von Gewässern und Flüssigkeiten
   dieses dadurch gekennzeichnet, dass es neben den Hauptförderflügeln eine gemeinsame Trägerscheibe als Basis aufweist.
   Diese Scheibe dadurch gekennzeichnet, dass sie die Aufnahme für weitere Zusatzflügel bildet, welche im Zwischenraum der benachbarten Hauptflügel mittig positioniert sind und die effektiv wirksame Fläche zur Wasserförderung erhöhen.
   Ferner diese Scheibe dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Öffnung in Form einer Ausstichnut aufweist, welche die Basisscheibe in mindestens 2 Ringsegmente aufteilt trotzdem aber noch den konstruktiven Verbund aller Elemente des Förderrades sichert.
   Die Ausstichnut(en) dadurch gekennzeichnet, dass diese bis in die Hälfte der Flügelhöhe hineinrag(t/en) und die Förderflügel in der Form als breitgezinkten Kamm erscheinen lassen.