Energieeffiziente Ozonierung mit IWWT® Linearbegasern

Beitrag in der OZON-Broschüre 2018 des Kompetenzzentrums Mikroschadstoffe.NRW

Gewässerschutz & Klimaschutz bilden eine nicht mehr trennbare Herausforderung. Dies gilt insbesondere wegen des Bedarfs an elektrischer Energie für die Ozonierung.

Wirkungsgrad des Eintrags von Gasen in Flüssigkeiten

Der Wirkungsgrad des Eintrags eines Gases in eine Flüssigkeit zum Zweck der maximalen Verwertung des eingetragenen Gases wird bestimmt von dem Verhältnis von eingetragener Gasmenge Vein zu unverbraucht austretender Gasmenge Vaus.  Das Volumen austretender Gasblasen im Verhältnis zum eingetragenen Gasvolumen entspricht dem ökonomischen Verlust von Energieerzeugung zu Energieverwertung und dem ökologischen Schaden durch die nicht verwertete Energie.

 

Bild 1: Initialer Blasendurchmesser als Sauterdurchmesser bezogen auf atmosphärische Bedingungen bei einem Durchfluss zwischen 1 sml/min und 8 sml/min mit einem Linearbegaser L = 500 mm und 1 Reihe mit 140 Bohrungen 1

Bei einer maximalen = 100 %-tigen Verwertung der eingetragenen Gasmenge gilt Vein – Vaus = Vein → das eingetragene Gas wird zu 100 % verwertet.

Der Wirkungsgrad ergibt sich aus (Vein – Vaus)/Vein mit 0 ˂ η ˂ 1. Bei 100 %-tiger Verwertung mit Vaus = 0 beträgt der Wirkungsgrad 1.

Eintragseffizienz = Wirkungsgrad wird bestimmt von der Diffusionsfläche

Die Diffusionsfläche = Kontaktfläche = Oberfläche der eingetragenen Blasen mit der umgebenden Flüssigkeit wird bestimmt von der Zerlegung des Volumens eines Gasstroms vor dem Eintrag in die Flüssigkeit und von der Singularität jeder einzelnen eingetragen Gasblase.

Wird ein Volumenstrom von 1000 cm³ mit D = 12,41 cm und einer Oberfläche von A = 484 cm² in 1000 Blasen zerlegt – Zerlegungszahl Z = 1000 – beträgt die Oberfläche der 1000 Blasen mit D = 1,24 cm A = 4836 cm² und bei Z = 2000 mit D = 0,87 cm A = 6092 cm².

Zerlegung eines Volumenstroms mit IWWT® Linearbegasern
Mit IWWT® Linearbegasern werden Blasen mit einem Durchmesser von rd. 1,50 mm (vgl. Bild 1) mit A = 7,07 mm2 und V = 1,767 mm3  = 0,001767 cm3 in eine Flüssigkeit eingetragen. Das Volumen von 1000 cm3 wird in 565931 Blasen mit V =  1,767 mm3 zerlegt.

Bild 2: Blasen nach Austritt aus dem IWWT® Linearbegaser bei einem Durchfluss von 2 sml/min mit einem Linearbegaser L = 500 mm und 2 Reihen mit je 140 Bohrungen  – Außendurchmesser 6 mm1

 

 

Mit Z = 565931 beträgt die Diffusionsfläche 4001132 mm2 und das Verhältnis der Oberflächen von 4001132 mm2/484000 mm2 = 8,27.

Stabilität der Blasendurchmesser

Bei einem Durchfluss zwischen 1 sml/min und 8 sml/min beträgt der Durchmesser der zerlegten Blasen – gemessen als Sauterdurchmesser d32 – bei allen Durchflüssen etwa gleichbleibend 1,5 mm, (vgl. Bild 1). Hiermit unterscheidet sich der Gaseintrag aus dem aus einem Edelstahlrohr gefertigten IWWT® Linearbegaser von Belüftern mit einer elastischen Membran. Durch die Dehnung der Membran vergrößern sich mit zunehmendem Volumenstrom die Öffnungen in der Membran und damit zusammenhängend die Blasendurchmesser.

Zusammenfassung

Mit den IWWT® Linearbegasern wird ein Gas entlang eines Begaserrohrs wie entlang einer Linie in eine Flüssigkeit eingetragen. Das Prinzip des Linearbegasers unterscheidet sich vom flächigen Gaseintrag mit Teller- und/oder Plattenbelüftern. Durch die auf zwei Reihen ausgelegten Linien mit Bohrungen für den Gasaustritt wird die Überlagerung von Diffusionsräumen senkrecht zur Längsachse vermieden. Durch diese Anordnung der

 

Austrittsöffnungen für die Gasblasen, die hohe Zerlegungszahl sowie die geringen Durchmesser der Blasen (vgl. Bild 3) und die damit verbundene große Diffusionsfläche wird eine maximale Verwertung der in die Flüssigkeit eingebrachten Gasmenge erzielt. Dieses Prinzip reduziert den erforderlichen Energiebedarf für die Förderung des Gasvolumens. Dies ist eine bisher unerreichte Energieeffizienz in der Kombination von Gewässerschutz und Klimaschutz.

 

 

Bild 3: Austretende und aufsteigende Gasblasen aus einem Linearbegaser mit Ø Außen = 6 mm – jede helle Linien ist die Bahn einer Gasblase während der Belichtungszeit; IWWT 20. Oktober 2017

 

 

 

 

 

Kontaktdaten
Ansprechpartner: Prof. Dr. Martin Stachowske
Telefonnummer: 0178 2468 571
Faxnummer: 0234 2988 5477
Emailadresse: Martin.Stachowske@iwwtec.de
Homepage: www.iwwtec.de
Adresse: Bleibtreustr. 24 | 10707 Berlin

 

 

 

 


Daten technischer Anlagen                                                      
Linearbegaser Edelstahlrohr – auftriebsichere Module mit den Begaserrohren werden im Becken oder Reaktor eingehängt – Befestigung am Beckenboden nicht erforderlich
Bohrungen 2 Reihen mit je 185 Bohrungen oder 2 Reihen mit je 385 Bohrungen
Gasdurchsatz Minimum 1 ml / (Bohrung * min)

Empfohlene Obergrenze 4 ml/(Bohrung * min)

Technische Details Länge L = 500 mm oder L = 1000 mm

Ø Außen 6 mm

Anwendungsgebiet kommunale und industrielle Abwasserreinigung

Fischwirtschaft

Einsatzbereich der Gase Luft, Sauerstoff O2, Ozon O3
Belüfter-Äquivalent Belüfter Ø 250 mm mit 7854 Bohrungen/Öffnungen

≜ 22 IWWT® Linearbegasern mit je 370 Bohrungen

≜ 11 m Linearbegaser

Kontaktfläche bei einer Wassersäule von 4 m und Flächenverhältnis IWWT® Linearbegasern 2 x 11 m x 4 m = 88 m2

Belüfter Ø 250 mm = 0,25 m

0,25  x π x 4 m = 3,14 m2

Verhältnis  88 / 3,14 = 28

Volumen des Gaseintrags pro Zeiteinheit bei einer Wassersäule von 4 m und Verhältnis der Eintragsvolumina IWWT® Linearbegasern 11 m x 4 m x 0,006 = 0,264 m3

Belüfter Ø 250 mm = 0,25 m

0,252 x π/4 x 4 = 0,196 m3

Verhältnis 0,264 / 0,196 = 1,347

1 Ergebnis aus dem Projekt  LEOBEL – gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt unter dem Förderkennzeichen AZ 30799

Kontakt Dr. Sebastian Reinecke, Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf   s.reinecke@hzdr.de