Firma Heinrich Frings, Bonn (Deutschland)
Die Erfindung betrifft eine Belüftungsvorrichtung für Flüssigkeiten mit einem nahe am Boden eines mit der Flüssigkeit gefüllten Behälters angeordneten, um eine vertikale Welle rotierenden, hohlen und an seinem Umfang mit vier bis acht, in Radialebenen liegenden Luftaustrittsöffnungen versehenen Rotor, der an einer nach unten durch den Behälterboden geführten Antriebswelle befestigt ist und nach oben mit einer feststehenden Luftansaugleitung verbunden ist, wobei den Luftaustrittsöffnungen des Rotors senkrechte, mit gedachten Radialebenen des Rotors spitze Winkel einschliessende Flächen in Drehrichtung vorgelagert sind, und mit einem den Rotor umgebenden Stator mit zwischen zwei Flachringen befestigten senkrechten, jeweils von der radialen Richtung unter einem spitzen Winkel abweichenden Leitschaufeln.
Fast alle bekannten Belüftungsvorrichtungen arbeiten in Kombination mit einem Gebläse oder einem Kompressor, d. h. sie sind nur in der Lage, vorkomprimierte Luft in der Flüssigkeit zu verteilen. Es gibt nur wenige Belüftungsvorrichtungen, die die Luft selbsttätig ansaugen und in der zu belüftenden Flüssigkeit gleichmässig in feinen Blasen verteilen. Mit Hilfe einer bekannten Belüftungsvorrichtung der letzteren Art ist es möglich, Luft in einer Flüssigkeitssäule von 3,0 m Höhe mit einem spezifischen Energiebedarf von 1,2 bis 1,5 KWh/ 10 m3 gleichmässig zu verteilen. Es gelingt dabei, einen Behälter mit 3,0 m Durchmesser mit 50 m3 pro Stunde Luft auszulüften.
Um die Qualität einer Belüftung auch hinsichtlich der Feinheit der Luftblasen und der Gleich- mässigkeit ihrer Verteilung zu beurteilen, benutzt man am besten submerse Spritessiggärungen mit steigender Alkohol- und Essigsäurekonzentration. Infolge der grossen Empfindlichkeit der Essigbakterien gegen auch nur vorübergehenden Sauerstoffmangel, die mit ansteigender Alkohol- und Essigsäurekonzentration noch zunimmt, sind Leistung und Ausbeute einer solchen Gärung ein sicheres Mass für die Qualität der Belüftung. Mit einer Vorrichtung der vorgegebenen Art ist es möglich, in dem erwähnten Gärbehälter von 3,0 m Durchmesser eine submerse Spritessiggärung durchzuführen, bei der eine Konzentration der Essigsäure von 10 O/o erreicht wird und bei der die Säurezunahme pro Stunde 0,10 Oio Essigsäure beträgt.
Die Ausbeute liegt dabei bei 90 O/o.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den spezifischen Energiebedarf derartiger Belüftungsvorrichtungen wesentlich zu senken sowie die Grösse der Luftblasen zu verringern und deren Verteilung im Gärbehälter zu verbessern. Wegen der Flüchtigkeit von Alkohol und Essigsäure wird eine Ausbeute- und Leistungssteigerung erzielt, wenn eine derartige Belüftungsvorrichtung mit Hilfe der submersen Spritessiggärung getestet wird. Darüberhinaus gelingt es bei Verbesserung der Belüftung, die Konzentration der erzielten Essigsäure zu steigern. Weiters ist die Aufgabe gestellt, die Gärbehälter sowohl im Durchmesser als auch in der Füllhöhe zu vergrössern, ohne dabei den spezifischen Energiebedarf wieder zu erhöhen. Diese Forderung wird im Hinblick auf den Bau grösserer Belüftungsaggregate gestellt.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer erfindungsgemässen Belüftungsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die auf der Antriebswelle sitzende Rotornabe zu einem aufwärts in die Luftsaugleitung ragenden und gegen diese mit einer Labyrinthdichtung abgedichteten Hohlzylinder verlängert ist und dass die von den Luftaustrittsöffnungen, den vorgelagerten senkrechten Flächen und dem um den Rotor gedachten Rotationszylinder gebildeten Kammern nach oben und unten vom Rotorumfang her teilweise gedeckt sind, wobei wenigstens zwölf Leitschaufeln vorgesehen sind, deren Innenkanten vom Rotorumfang nur um ein die freie Rotorrotation noch ermöglichendes Mass abstehen, welche Leitschaufeln mit den durch die Innenkanten gelegten Radialebenen einen Winkel von 25 bis 30 einschliessen.
Um den spezifischen Energiebedarf zu senken, ist es notwendig, die durch den Rotor verursachte Flüssigkeitsbewegung genauestens zu kontrollieren und zu verhindern, dass Flüssigkeit in das Innere des Rotors ge langt. Um Letzteres zu erreichen, kann die auf der Antriebswelle sitzende Nabe zu einem aufwärts in die Luftansaugleitung ragenden Hohlzylinder verlängert sein, der gegen diese mit einer Labyrinthdichtung abgedichtet wird. Die vom Rotor geförderte Flüssigkeitsmenge wird durch die Grösse der Kammern bestimmt, welche von den Luftaustrittsöffnungen, den ihnen vorgelagerten senkrechten Flächen und dem um den Rotor gedachten Rotationszylinder gebiIdet werden.
Durch teilweise Bedeckung dieser Kammern vom Rotorumfang her ist es möglich, die geförderte Flüssigkeitsmenge zu verringern, ohne dadurch die angesaugte Luftmenge zu verkleinern, was zu einer Herabsetzung des spezifischen Energiebedarfes führt. Überdies ist eine Vergrösserung der Luftmenge ohne Veränderung der geförderten Flüssigkeitsmenge dadurch erzielbar, dass im Stator Leitschaufeln vorgesehen werden können, deren Innenkanten vom Rotorumfang nur um ein die freie Rotation noch ermöglichendes Mass abstehen. Vorzugsweise beträgt diese Distanz weniger als 1 mm. Eine Verbesserung der Luftverteilung kann dadurch erzielt werden, dass wenigstens zwölf Leitschaufeln vorgesehen werden, die rnit den durch die Innenkanten gelegten Radialebenen einen Winkel von 25 bis 350 einschliessen.
Die Anordnung der Leitschaufeln unter diesem Winkel ergibt einen guten und stauungsfreien Abtransport der vom Rotor gebildeten Luft- Flüssigkeitsmischung aus dem Bereich der Vorrichtung. Die aus dem Stator etwa radial austretende Luft-Flüssigkeitsmischung verteilt sich gleichmässig über den gesamten Behälterquerschnitt. Die Austrittsgeschwindigkeit richtet sich nach dem Durchmesser des zu belüftenden Behälters und wird von der Formgebung des Rotors bestimmt.
Die teilweise Bedeckung der Rotorkammern kann mittels eines oberen und eines unteren, am Rotor angeordneten Ringes erfolgen. Die Kammern des Rotors können aber auch durch die einwärts verbreiterten Flachringe des Stators oder durch an den Flachringen befestigte : Deckringe teilweise gedeckt werden.
Um das Einströmen der Flüssigkeit in den Rotor gleichmässig zu gestalten und eine Rotation der Behälterflüssigkeit zu verhindern, was zur gleichmässigen Belüftung beiträgt, können oberhalb des Rotors vier senkrechte, bis über die Luftaustrittsöffnungen radial einwärts ragende Stabilisierungsflächen angeordnet sein.
Durch die Konstruktion der Belüftungsvorrichtung bedingt, ändert sich die Ausstrahlungsgeschwindigkeit der feinsten Luftblasen mit dem Verhältnis der vom Rotor bewegten Flüssigkeitsmenge zur angesaugten Luftmenge. Zwecks gleichmässiger Auslüftung des Behälters muss dieses Verhältnis konstant gehalten werden. Es ändert sich aber in Abhängigkeit von der Höhe der Flüssigkeitssäule, in der die Luft verteilt werden muss.
Bei niedrigerer Flüssigkeitssäule erhöht sich die angesaugte Luftmenge. Da im praktischen Betrieb die Höhe der Flüssigkeitssäule häufig Änderungen unterworfen werden muss, kann die Belüftungsvorrichtung vorteilhaft mit einer ausserhalb des Behälters in der Luftleitung eingebauten Einrichtung zur Konstanthaltung einer einstellbaren Luftmenge bei verschiedenen Flüssigkeitshöhen ausgerüstet werden. Letztere kann aus einem mit einer Drosselstelle versehenen Raum, in dem eine durch ein Gestänge mit einer Drosselplatte und einer Gegenfeder verbundene Membran angeordnet ist, bestehen, derart, dass beim Auftreten eines stärkeren Sogs die Membran die Drosselplatte zur Drosselstelle hin und beim Nachlassen des Sogs die Feder die Drosselplatte von der Drosselstelle weg bewegt.
Mit Hilfe dieser Einrichtung kann bei verschiedenen Füllhöhen die angesaugte Luftmenge und damit auch das Verhältnis Flüssigkeit zu Luft im Rotor konstant gehalten werden, wodurch die Gleichmässigkeit der Belüftung auch bei variierenden Füllhöhen gewährleistet werden kann.
Der den Rotor antreibende Motor kann mit einer aufgeschrumpften verlängerten Welle versehen sein, auf welcher der Rotor direkt befestigt werden kann. Die Welle kann gegen den Behälter mittels einer Gleitringdichtung abgedichtet werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer einwandfreien mechanischen thber- tragung grösserer Kräfte, was zur Herstellung grösserer Aggregate erforderlich ist.
Mit Hilfe einer Belüftungsvorrichtung gemäss der Erfindung gelingt es erstmals, einen Gärtank mit 3,90 Meter Durchmesser und 4,0 m Flüssigkeitssäule mit 200 m3/h Luft so feinblasig und gleichmässig auszulüften, dass die Versäuerungsleistung einer submersen Spritessiggärung auf 0,170/0 Essigsäurezunahme pro Stunde ansteigt. Dabei wird eine Ausbeute von 98 /o erzielt. Die Essigsäurekonzentration kann bis auf 13 O/o erhöht werden. Gleichzeitig wird der spezifische Energiebedarf auf 0,8 KWh pro 10 ma reduziert. Diese Zahlen zeigen den technischen Fortschritt, der durch diese Belüftungsvorrichtung erzielt werden kann.
Für die Testung einer grösseren Belüftungseinheit wurde die Hefeerzeugung ausgewählt. Gemäss der deutschen Patentschrift Nr. 1071024 benötigen die besten bekannten rotierenden Belüftungsvorrichtungen, die zu sätzlich ein Gebläse brauchen, zwischen 2,8 und 6,2 m3 Luft pro kg erzeugter Hefe mit 27 O/o Trockensubstanz.
Es gelingt mit Hilfe einer Belüftungsvorrichtung nach der Erfindung, die in der Lage ist, 1000 m3 pro Stunde anzusaugen und in einem Gärbottich feinst und gleichmässig zu verteilen, eine Hefeproduktion nach dem Zulaufverfahren durchzuführen, bei der in einer über 10 Stunden dauernden Gärperiode die Luft konstant gehalten wird und trotzdem im Durchschnitt nur 2,3 ma Luft pro kg erzeugter Hefe mit 27 O/o Trockensubstanz verbraucht werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen axonometrischen Teilschnitt der wesentlichsten Teile der Belüftungsvorrichtung,
Fig. 2 einen waagrechten Schnitt durch den Stator mit dem Rotor in Draufsicht,
Fig. 3 einen Schnitt durch einen zu belüftenden Behälter mit einer Belüftungsvorrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 4 einen Schnitt durch die Vorrichtung zur Konstanthaltung der Luftmenge.
Die Belüftungsvorrichtung besteht aus einem nahe am Boden eines mit Flüssigkeit gefüllten Behälters 14 (Fig. 3) angebrachten, auf einer von unten durch die Behälterwand tretenden vertikalen Welle 17 montierten, nach oben mit einer feststehenden Luftansaugleitung 10 verbundenen hohlen Rotor 9 und einem den Rotor umgebenden Stator 6.
Der Rotor 9 besitzt sechs in radialen Ebenen angeordnete Luftaustrittsöffnungen 2 (Fig. 1). Die diesen in Drehrichtung vorgelagerten senkrechten Flächen 5 schliessen mit gedachten Radialebenen des Rotors spitze Winkel em. Oben und unten ist der Hohlkörper des Rotors durch sechszackige Flächen 1 geschlossen. Die Rotornabe ist nach oben zu einem in die Luftansaugleitung 10 ragenden und gegen diese mit einer Labyrinth dichtung 13 abgedichteten Hohlzylinder verlängert. Zur teilweisen Bedeckung der von den Luftaustrittsöffnungen 2 den vorgelagerten senkrechten Flächen 3 und dem um den Rotor 9 gedachten Rotationszylinder gebildeten Kammern trägt der Rotor aussen je einen oberen und einen unteren Ring 4 und 5.
Der Stator 6 besteht aus einem oberen und einem unteren Flachring 7 und 8 und sechzehn dazwischen befestigten Leitschaufeln 11. Die Innenkanten dieser Leitschaufeln 11 stehen vom Rotorumfang nur um ein die freie Rotorrotation noch ermöglichendes Mass ab; im vorliegenden Fall um 0,75 mm. Legt man durch die Innenkanten der Leitschaufeln Radialebenen, so schliessen die Leitschaufeln mit diesen einen Winkel von 30C ein. Der Stator 6 trägt oberhalb des Rotors 9 vier senkrechte, bis über die Luftaustrittsöffnungen radial einwärts ragende Stabilisierungsflächen 12, von denen in Fig. 1 die zwei vorderen aus Deutlichkeitsgründen nicht dargestellt sind.
Es ist leicht, sich vorzustellen und daher nicht gezeichnet, dass die Bedeckung der Rotorkammern auch erzielt werden kann, wenn man die Rotorringe 4 und 5 entfernt und dafür die Statorringe 7 und 8 einwärts verbreitert bzw. daran Deckringe befestigt.
Fig. 3 zeigt, dass der zu belüftende Behälter 14 bis zum Niveau 15 mit der zu belüftenden Flüssigkeit gefüllt ist. Der die Belüftungsvorrichtung antreibende Motor 16 ist an einem Bodenflansch des Behälters montiert.
Die durch Aufschrumpfen verlängerte Welle 17 ist gegen den Behälter 14 mit Hilfe einer Gleitringdichtung 18 abgedichtet. Der sich mit 1400 bis 1800 Umdr./min. drehende Rotor 9 erzeugt in seinem Hohlkörperteil einen Unterdruck, durch den Luft über die Luftansaugleitung 10 von aussen angesaugt wird. Ein Kreiselstrommesser 20 dient zur Anzeige der angesaugten Luft.. menge. Eine Einrichtung 19 dient zur Konstanthaltung der Luftmenge. Die Luft tritt durch die Öffnungen 2 (Fig. 1) aus dem Rotor aus. Die Flüssigkeit fliesst von oben und unten in die Rotorkammern ein und wird nach aussen gefördert. Die Mischung von Luft und Flüssigkeit tritt zwischen den Leitschaufeln 11 und dem oberen und dem unteren Flachring 7 und 8 des Stators nach aussen.
Das Flüssigkeits-Luftgemisch wird durch den Stator in viele Segmente aufgeteilt, wodurch eine sehr gleichmässige Verteilung über den Querschnitt des Behälters 14 erreicht wird. Durch Wahl der Neigung der Flächen 3 gegen die Radialrichtung kann die Geschwindigkeit, mit der das Flüssigkeits-Luftgemisch nach aussen befördert werden soll, beeinflusst werden. Dadurch wird es möglich, Behälter verschiedener Durchmesser auszulüften.
In der Fig. 4 ist die Einrichtung 19 zur automatischen Konstanthaltung der Luftmenge bei verschiedenen Füllhöhen dargestellt. Diese Einrichtung besteht aus einem geschlossenen, mit einer Drosselstelle 30 versehenen Raum, der an die Luftansaugleitung 10 angeschlossen und in dem eine Membran 21 angeordnet ist, die durch ein Gestänge 22 mit einer Drosselplatte 23 und einer Gegenfeder 24 verbunden ist. Beim Auftreten eines stärkeren Sogs, wie es beim Absenken des Flüssigkeitsspiegels im Behälter der Fall ist, bewegt die Membran 21 die Drosselplatte 23 gegen die Drosselstelle 30, während beim Nachlassen des Sogs, wie es beim Steigen des Flüssigkeitsspiegels im Behälter auftritt, die Federkraft die Drosselplatte 23 von der Drosselstelle 30 weg bewegt.
Durch diese Veränderungen des Durchströmquerschnittes an der Drosselstelle 30 wird die angesaugte Luftmenge trotz Veränderung der Sogstärke konstant gehalten und damit die Gleichmässigkeit sowohl der Luftblasengrösse als auch der Verteilung derselben über den Behälterquerschnitt aufrechterhalten. Vorzugsweise wird jeder Behälter mit einem einzigen Rotor ausgerüstet. Wenn es aber notwendig ist, Behälter mit sehr grossen Durchmessern gleichmässig zu belüften, ist es in einfacher Weise möglich, diesen Behälter nicht nur mit einem, sondern mit mehreren Rotoren auszurüsten.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung zur Belüftung von Gärflüssigkeiten oder Abwässern eingesetzt. Selbstverständlich ist es aber möglich, das Wasser durch jede andere Flüssigkeit und die Luft durch ein beliebiges anderes Gas zu ersetzen. Die Vorrichtung gestattet dann, beliebige Gas-Flüssigkeitsreaktionen mit grosser Reaktionsgeschwindigkeit durchzuführen. Diese Reaktionen können auch unter erhöhtem Druck ausgeführt werden.
Es muss dabei nur darauf geachtet werden, dass das Gas dem Inneren des Behälters unter dem gleichen Druck zugeführt wird. Durch die feine und gleichmässige Verteilung des Gases in der Flüssigkeit ist es auch vorteilhaft, die beschriebene Belüftungsvorrichtung beispielsweise zur Flotation von Feststoffen einzusetzen.
Schliesslich erscheint die Vorrichtung ohne jede Einschränkung überall dort anwendbar, wo eine gleichmässige und feine Verteilung eines Gases in einer Flüs- sigkeit vorteilhaft erscheint bzw. durchgeführt werden muss.
Um einen Behälter mit einem bestimmten Durchmesser gleichmässig zu begasen, ist im allgemeinen ein Rotordurchmesser erforderlich, der etwa den achten bis fünfzehnten Teil des Behälterdurchmessers beträgt. Die Grösse variiert mit der gewünschten Gasmenge. Da der spezifische Energiebedarf mit zunehmender Flüssigkeitssäule ansteigt, ist im allgemeinen eine Flüssigkeitssäule von 3 bis 4 m am wirtschaftlichsten. Aus besonderen Gründen kann dieser Wert jedoch auch unter- und überschritten werden.