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Verfahren und Vorrichtung zur Durchmischung zweier Medien
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchmischung von zwei Medien
gleicher oder verschiedener Zustandsform, insbesondere zum Einbringen eines gasförmigen
Mediums in ein flüssiges Medium, und betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Belüftung von Jauche,
deren Vorteile gegenüber anderen Verfahren zur Jauchebehandlung, wie Chemikalienbehandlung,
sofortiges Einfräsen in den Boden, Biogasgewinnung, Kompostierung und Verfütterung
zwar schon erkannt worden sind und die daher in der Praxis vergleichsweise die größte
Bedeutung erlangt hat, jedoch in der Anwendung noch nicht problemlos ist. Die Belüftung
von Jauche ist eine umweltfreundliche Maßnahme, weil sie die sonst unvermeidbare
Geruchsbelästigung wesentlich reduziert und darüber hinaus die Gewinnung eines natürlichen
bodenfreundlichen Flüssigdüngers ermöglicht.
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Bei der Belüftung von Jauche kommt es insbesondere darauf an, einerseits
möglichst große Luft- d.h. Sauerstoffmengen je Jauchevolumeneinheit in der Zeiteinheit
einzutragen und andererseits die Jauche genügend umzuwälzen. Dabei sollen zusätzlich
Stickstoffverluste, welche den Düngerwert der Jauche verringern, möglichst gering
gehalten werden. Diesen unterschiedlichen Anforderungen gleichermaßen gerecht zu
werden, ist ein schwieriges Unterfangen.
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Zum Eintragen eines gasförmigen Mediums in eine Flüssigkeit, wie etwa
beim Belüften von Jauche, sind bereits sogenannte Oberflächenbelüftungsverfahren
bekannt, bei denen auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmend gehaltene rotierende
Propellerräder od. dgl. das angesaugte Flüssigkeitsvolumen mit Luft durchmischen
und zentrifugal nach außen schleudern. Diese zentrifugal arbeitenden Systeme haben
verschiedene Nachteile, u. a. beim Abwasser wie bei der Jauche die sehr starke Schaumbildung,
die es sogar häufig erforderlich macht, weitere Geräte zum Zerteilen und Wegfördern
des Schaums einzusetzen. Bei der Behandlung von Jauche sind als weitere Nachteile
auch noch der erhebliche Stickstoffverlust, eine ungenügende Oxydation, die Veränderung
des pH-Wertes in Richtung Säure und die Nichtbeseitigung der Geruchsbelästigung
als Nachteile zu nennen. Außerdem sind diese bekannten Einrichtungen ziemlich teure
und schwere Konstruktionen. Darüber hinaus sind diese Verfahren in der Regel nicht
geeignet, eine für die Verhinderung von unerwünschten Feststoffsedimentationen ausreichende
Umwälzung der zu behandelnden Flüssigkeit, beispielsweise des Inhalts eines Jauchebehälters,
herbeizuführen.
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Weiterhin sind sogenannte Saugbelüftungsverfahren bekannt, bei welchen
unterhalb der Zentralöffnung einer beträchtliche Abmessungen aufweisenden Leitschale
ein Propellerrührwerk betrieben wird, das über eine hohle Antriebswelle zugleich
Luft von oben ansaugt. Auch hierbei ist die Umwälzleistung verhältnismäßig gering.
Darüber hinaus sind die zum Einsatz gelangenden Vorrichtungen raumzehrend, schwer
und teuer.
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Weitere Nachteile der bekannten Belüftungsverfahren bestehen noch
darin, daß hierbei stets Vorrichtungen mit bewegten
Teilen verwendet
werden, und daß die in die Flüssigkeit eingearbeitete Luft darin in relativ grober
Verteilung vorliegt, wodurch die reaktionswesentliche innere Grenzfläche zwischen
zugeführter Luft und Flüssigkeit verhältnismäßig klein ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs bezeichneten Gattung und zu seiner Durchführung besonders geeignete
Vorrichtungen bereitzustellen, das insbesondere für die Belüftung von Jauche gut
geeignet ist, zu seiner Durchführung mit unaufwendigen Vorrichtungen auskommt, die
keine beweglichen Teile besitzen, und das einen guten Durchmischungswirkungsgrad
aufweist. Neben dem im Vordergrund stehenden Verwendungszweck der Jauchebelüftung
soll das Verfahren breiter technologischer Anwendung fähig sein, beispielsweise
auch für die Mischung zweier Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeit mit einem festen
Stoff, beispielsweise in Pulverform.
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die gestellte Aufgabe wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
dadurch gelöst, daß ein erstes Medium unter Druck von der Seite in ein sich verengendes
Rohr geleitet wird, in das vom geschlossenen weitesten Rohrende eine Düse koaxial
zur Rohrachse hineinragt, durch die ein zweites Medium infolge des am Düsenende
herrschenden, gegenüber dem Außendruck geringeren statischen Druck angesaugt und
in das erste Medium eingetragen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet im Gegensatz zu den bekannten
zentrifugal wirkenden Verfahren zentripetal, wodurch es zu einer besonders innigen
Vermischung der beiden zu vermischenden Medien kommt. Hierbei wirkt das sich ver-
engende
Rohr wie eine Mischstrecke, in welcher sich die beiden Medien nach Art einer sich
zum Austrittsende hin verjüngenden schraubenlinienförmigen Strömung hoher Turbulenz
intensiv mischen. Aus dem Rohrende des sich verengenden Rohres tritt eine homogene
Mischung aus, die sich in der Vorlageflüssigkeit, beispielsweise im Inhalts eines
Jauchebehälters, aufgrund der besonderen Strömungsverhältnisse rasch verteilt und
eine erhebliche Rühr- bzw. Umwälzwirkung hervorruft. Gasförmige Medien werden durch
das erfindungsgemäße Verfahren in Flüssigkeiten feinstverteilt, wodurch eine große
innere Gas/Flüssigkeits-Reaktionsgrenzfläche entsteht. In der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auf die Jauchebelüftung werden die aufgezeigten Nachteile bekannter Verfahren
beseitigt, so daß bei einer minimalen Schaumbildung der Stickstoffverlust sehr gering,der
pH-Wert ausgeglichen und die Sauerstoffaufnahme optimal ist und ferner die Geruchsverbindungen
unerheblich sind, d. b. die Geruchsbelästigung.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Belüftung von mit
Feststoffen beladener Jauche ist es von Vorteil, wenn die Jauche vor seitlicher
Einleitung in das sich verengende Rohr durch eine Zerkleinerungsvorrichtung geführt
wird. Auf diese Weise ist es möglich, von der Jauche mitgeführtes Stroh oder andere
Feststoffanteile in der Jauche selbst zu zerkleinern, so daß die Jauche mit den
darin befindlichen zerkleinerten Feststoffen belüftet, umgewälzt und schließlich
ihrem Bestimmungszweck übergeben wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß
gekennzeichnet durch ein sich verengendes und am weitesten Ende geschlossenes Rohr
und eine in dieses
vom geschlossenen Rohrende koaxial zur Rohrachse
sich hineinerstreckende Düse sowie durch mindestens eine quer zur Rohrachse verlaufende
und in den von der Außenwandung der Düse und der Rohrinnenwandung begrenzten und
in Achsrichtung sich verengenden Ringraum seitlich einmündende Zuleitung. In bevorzugter
Ausgestaltung mündet die Zuleitung tangential in den Ringraum innerhalb des Rohrs
ein. Vorzugsweise sind zwei Zuleitungen vorgesehen, die an diametral einander gegenüberliegenden
Stellen und einander entgegengerichtet in den Ringraum tangential einmünden und
diese beiden Zuleitungen sind zweckmäßig in ihrem lichten Querschnitt unterschiedlich
groß, so daß verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden, was innerhalb
des Rohrs zu einer noch besseren Wirkung führt. Damit das unter Druck zuströmende
Medium in Achsrichtung des Rohrs gelenkt wird, sind die Zuleitungen zweckmäßig so
angeordnet, daß sie mit einer zur Rohrachse senkrechten Ebene einen Winkel einschließen
und somit in den Ringraum schräg einmünden.
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Das sich verengende Rohr ist zweckmäßig so geformt, daß im Längsschnitt
die Kontur der Wandung hyperbelförmig ist.
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Zweckmäßig schließt sich ferner am engsten Rohrquerschnitt ein Diffusor
an, der die Geschwindigkeitsenergie wieder in Druckenergie umwandelt, und der in
die vorzugsweise im Umlauf durch das Rohr gepumpte Flüssigkeit eintaucht und die
den Diffusor verlassende Flüssigkeit in radialer Richtung verteilt.
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Der am Düsenende herrschende Unterdruck, der das zweite Medium durch
die Düse ansaugt, kann durch Auswechseln von in den Abmessungen unterschiedlichen
Düsen variiert werden.
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Durch die vorzugsweise vorgesehenen zwei tangential in den genannten
Ringraum einmündenden Zuleitungen strömt
die zu behandelnde Flüssigkeit
unter Druck in das Rohr ein und wird als rotierende Flüssigkeitssäule in Richtung
des freien Rohrendes bewegt. Das Rohr verengt sich zum freien Rohrende hin, wodurch
die Geschwindigkeitsenergie der Flüssigkeit zunimmt. Durch die leichte Schrägstellung
der tangential in das Rohr einmündenden Zuleitungen ist bereits eine Bewegungskomponente
in Richtung der Rohrachse vorhanden. Bei einem senkrecht angeordneten Rohr schraubt
sich die Flüssigkeit gewissermaßen an der Rohrwandung nach unten. Man muß daher
davon ausgehen, daß die Geschwindigkeitsenergie durch Reibungsverluste an der Rohrwandung
gemindert wird.
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Es wurde nun in diesem Zusammenhang festgestellt, daß hinsichtlich
der Strömungsgeschwindigkeit und somit auch hinsichtlich des Durchströmvolumens
pro Zeiteinheit bessere Ergebnisse erzielbar sind, wenn man dem Medium schon vor
der Eintrittsstelle in das Rohr eine Drallbewegung erteilt, durch die die Bewegungskomponente
in Achsrichtung des Rohrs und die Rotationsbewegung für das nach der Einmündungsstelle
der Zuleitung im Rohr weiterströmende Medium bestimmt sind. Um dies zu erreichen,
kann die Vorrichtung in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet
sein, daß die Zuleitung zum Zuführen des ersten Mediums unter Druck in das sich
in Achsrichtung verengende Rohr im Schraubengang um die Rohrachse mit in Achsrichtung
abnehmendem Durchmesser der Schraubenwindungen geführt ist und im Abstand oberhalb
der Austrittsöffnung der das zweite Medium zuführenden Düse in das Rohr mündet.
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Neben den bereits geschilderten Vorteilen hat sich hierbei ferner
auch noch gezeigt, daß sich infolge dieser be-
sonderen Gestaltung
der Zuleitung noch andere günstige Wirkungen einstellen, beispielsweise bei der
Anwendung der Vorrichtung zur Behandlung von Jauche keinerlei Stickstoffverluste
mehr auftreten. Dies ist angesichts der Bedeutung, die die Rückführung eines an
Naturprodukte gebundenen Stickstoffs in den Boden für die Landwirtschaft hat, ein
besonders günstiges Ergebnis.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gehen aus den Unteransprüchen 12 bis 14 hervor.
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Die Bewegungskomponente der Mischströmung in Richtung der Rohrachse
kann auch dadurch vergrößert werden, daß die Mittelachse der Zuleitung mit der Rohrachse
einen spitzen Winkel bildet, dessen Scheitel in Rohrdurchflußrichtung weist.
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Mit einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
läßt sich bezüglich der Mischwirkung und der raschen Verteilung des aus dem Rohr
austretenden Stromes noch eine weitere Verbesserung erzielen, wenn zwei Rohre vorgesehen
sind, deren Achsen miteinander in Richtung der Rohraustrittsenden miteinander konvergieren,
wobei sich die Rohraustrittsöffnungen unmittelbar nebeneinander befinden. Aus diese
Weise vermischen sich noch zusätzlich die aus den beiden Rohren austretenden Ströme.
Dieser Effekt läßt sich noch steigern, wenn die jeweiligen Zuleitungen so in die
beiden Rohre einmünden, daß die Strömungen darin einen entgegengesetzten Drehsinn
aufweisen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnun-
gen, in denen bevorzugte
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise dargestellt sind.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß der
Linie 1-1 in Fig. 2, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1.
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Fig. 3 einen Ausschnitt der Zuleitungs-Rohrabzweigung in gegenüber
Fig. 2 größerem Maßstab, Fig. 4 einen der Fig. 1 ähnlichen Längsschnitt durch eine
modifizierte Vorrichtung und Fig. 5 einen weiteren Längsschnitt durch ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
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Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung zur Durchmischung
von zwei Medien gleicher oder verschiedener Zustandsform weist ein sich verengendes
Rohr 1 auf, dessen Wandung hyperbelförmig ist mit Ausnahme des Teils am weitesten
Rohrende, wo das Rohr durch eine Abschlußwand 2 geschlossen ist. Von der Abschlußwand
ragt eine in dieser auswechselbar befestigte Düse 3 koaxial zur Rohrachse in das
Rohr 1 hinein.
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Zwei Zuleitungen 4 und 5 münden tangential in das Rohr 1 am weitesten
Ende ein, wobei sie mit der zur Rohrachse senkrechten Ebene einen kleinen Winkel
einschließen, so daß das durch die Zuleitungen einströmende Medium etwas schräg
nach unten gerichtet in dasRohr 1 einströmt. Das
Medium wird von
einer in der Zeichnung nicht dargestellten Pumpe durch eine einen entsprechenden
größeren Querschnitt aufweisende Zuleitung 6 und durch eine Rohrabzweigung 7 den
Zuleitungen 4 und 5 zugeführt, wobei die Zuleitung 4 von der Rohrabzweigung 7 aus
sich in einem Abschnitt bei 8 verjüngt, so daß das Medium in dieser Zuleitung eine
höhere Geschwindigkeit als das durch die Zuleitung 5 strömende Medium besitzt. Die
unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewirken im Rohr 1 eine gewisse "Bipolarität",
die den Mischvorgang positiv unterstützt.
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Infolge des tangentialen Zuströmens des Mediums an diametral gegenüberliegenden
Stellen gemäß Fig. 2 von links und von rechts erhält das Medium auf dem Weg durch
das Rohr 1 nach unten wie durch den Pfeil A am Ende der gestrichelten Linie angedeutet
eine Drallbewegung. Die lineare Geschwindigkeit des Mediums wie auch die Umdrehungszahl
infolge der Drallbewegung werden auf dem Weg durch das sich verengende Rohr ständig
größer. Am unteren Ende der Düse 3 herrscht daher ein gegenüber dem Außendruck geringerer
statischer Druck, so daß ein zweites Medium durch die Düse 3 angesaugt wird und
dem ersten Medium beigemischt wird. Am unteren Ende des Rohrs 1 schließt sich an
der Stelle des engsten Rohrquerschnitts ein Diffusor 9 an, durch den die Geschwindigkeitsenergie
wieder in Druckenergie umgewandelt wird und die Abströmrichtung eine radial Komponente
erhält.
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Das durch die Zuleitungen 4 und 5 zuströmende Medium kann ein Gas
oder eine Flüssigkeit sein, während das durch die Düse 3 angesaugte Medium ein Gas,
eine Flüssigkeit oder ein festes Medium, beispielsweise in Pulverform sein kann.
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Wenn eine Flüssigkeit, beispielsweise Jauche, behandelt
wird,
zu deren Belüftung Luft durch die Düse 3 angesaugt wird, so taucht das Rohr mit
seinem unteren Ende bis zu einer innerhalb des Bereichs B liegenden Linie, deren
Abstand vom Rohrende je nach den Umständen verschieden sein kann, in die im Umlauf
durch die Zuleitungen gepumpte Flüssigkeit ein. Der Vorgang des Durchmischens kann
auf diese Weise ein- oder mehrmalig durchgeführt werden. Die Vorrichtung eignet
sich nicht nur zum Herstellen von Mischungen, sondern auch zum Homogenisieren wie
auch allgemein für Begasungen, insbesondere zum Belüften, wobei je nach den zum
Einsatz kommenden Medien Oxydationsprozesse oder Reduktionsprozesse ablaufen, die
sich auf diese Weise entscheidend beeinflussen lassen.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 weist ein in der Achsrichtung sich verengendes
Rohr 1 auf, dessen Wandung mit Ausnahme des oberen und unteren Endes im Längsschnitt
hyperbelförmig gestaltet ist, wie es bereits mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben
worden ist. In der Wandung des Rohrs 1 ist die Zuleitung 10 für die zu behandelnde
Flüssigkeit als Hohlraum eingearbeitet. Diese Zuleitung verläuft im Schraubengang
längs der Rohrwandung nach unten bis zu einer Einmündungsstelle 11 in das Rohr,
die in der Zeichnung an der Rohrrückseite liegt. Oberhalb der Einmündungsstelle
11 der Zuleitung befindet sich eine Zwischenwand 12, die den unteren Rohrteil, in
welchem die Flüssigkeit nach unten strömt, nach oben abschließt, so daß dem oberen
Rohrabschnitt nur noch die Aufgabe zufällt, die Zuleitung im Schraubengang derart
nach unten zu führen, als würde die darin strömende Flüssigkeit den Weg bis zur
Einmündungsstelle auf einer im Längsschnitt hyperbelförmigen Wandung zurücklegen.
Die mit der durch eine Hyperbelform der Rohrwandung bewirkte zentripetale Arbeitsweise
ist dadurch vom
oberen bis zum unteren Rohrende ohne Unterbrechung
aufrechterhalten. Wenn man daher auf den oberen Rohrabschnitt verzichten würde,
so müßte eine freie Zuleitung auf einer im Längsschnitt hyperbelförmigen Hüllfläche
verlaufen und in irgendeiner geeigneten Weise zentriert gehalten werden.
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Der obere Rohrabschnitt hat aber auch noch die weitere Funktion, die
Düse 3 für die Zuführung des zweiten Mediums koaxial zur Rohrachse zu halten. Durch
diese Düse wird durch das an der Austrittsöffnung vorbeiströmende flüssige Medium
Luft angesaugt. Die Düse ist am oberen Rohrende gehalten und erstreckt sich durch
die Zwischenwand 12 in den unteren Rohrabschnitt hinein.
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Bei der aus Fig. 5 ersichtlichen Vorrichtungsvariante, die im grundsätzlichen
Aufbau den mit Bezug auf die Fig.
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1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen entspricht, bildet die Zuleitung
13 nicht wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit der zur Achse des Rohres senkrechten
Ebene einen kleinen Winkel, sondern die Achsen der Zuleitung und des Rohres 1 schließen
einen spitzen Winkel ein.
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Weiterhin besitzt die Wandung des Rohres 1 am geschlossenen Rohrende
keine Erweiterung. Die Wandung ist vielmehr durchgehend und stetig hyperbelförmig
geformt. Schließlich ist auch noch bemerkenswert, daß die Düse 14 von schlanker
gestreckter Gestalt ist und weit in das Rohr hineinreicht. Durch diese Maßnahmen
wird eine größere Ausströmgeschwindigkeit und damit eine höhere Durchsatzleistung
erzielt. Außerdem wird eine größere Luftmenge pro Zeiteinheit angesaugt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist die obere Abschlußwand des Rohres 1 als Flanschrand 15 der
Düse 14 ausgebildet. Die angesaugte Luftmenge läßt sich durch Schraubeinsätze 16
variieren. Wie schon bei der Vorrichtungsausführung gemäß Fig. 4 bildet der
engste
Rohrquerschnitt zugleich die Rohraustrittsöffnung, d. h. es schließt sich kein Diffusor
an. Dadurch läßt sich die Umwälzwirkung der Vorrichtung erhöhen.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für die Vorrichtung gemäß der Ausführungsbeispiele
nach den Fig. 1 bis 5 ist die Behandlung von Jauche, die im Umlauf durch die Vorrichtung
gepumpt wird, wobei sie belüftet wird. Im Gegensatz zu den bisher hierfür bekannten
Verfahren mit zentrifugaler Arbeitsweise erreicht man mit dieser Vorrichtung wesentliche
Vorteile, die insbesondere darin bestehen, daß eine geringere Schaumbildung zu verzeichnen
ist, die bei den herkömmlichen Verfahren zu großen Schwierigkeiten führt, daß ferner
minimale Stickstoffverluste, genügende Oxydationswerte, ausgeglichene pH-Werte und
keine unangenehmen Geruchsverbindungen zu verzeichnen sind. Ferner stellt diese
Konstruktion im Vergleich zu den für diesen Zweck bisher bekannten eine leichte
tragbare Konstruktion dar, die in ihrer Arbeitsweise nicht schwerkraftabhängig ist,
sondern auch in schräger Einbaulage arbeitet, und deren Herstellungskosten schließlich
wesentlich niedriger liegen als die vergleichbaren Einrichtungen herkömmlicher Art.