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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur halb-oder vollautomatischen Ermittlung und Steuerungder optimalen Zusatzgeschwindigkeit und des optimalen Ausströmdruckes einer unter Druck erzeugten Lösung eines Gases in einer Flüssigkeit zu einer, in einenibohrsystem strömenden Flüssigkeit, im Hinblick auf den
Eintrag grösstmöglicher gelöster Gasmengen bei möglichst langsamem und energiesparendem (gleichmässi- gem) Verlauf dieses Stromes, insbesondere zur Ermittlung und Steuerung des Zulaufes eines unter Druck mit Luft gesättigten Wasserstromes zu einem in eine Entspannungsflotationsanlage zu leitendenAbwasserstrom, bei welcher Vorrichtung aus einer Reinwasserquelle bzw.
aus dem Flotationsbehälter ein System zur Ab- zweigung einer Reinflüssigkeitsmenge über eine Pumpe zu einem Mischbehälter vorhanden ist, in welchem eine Druckgasleitung einmündet und in welchem Druckgas in der Flüssigkeit gelöst wird, von welchem Mi- schungsbehälter eine Abfuhrleitung über ein fernsteuerbares Entspannungsventil in die die stromende Flüs- sigkeit führende Rohrleitung mündet.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmesswertgeber für den herrschenden Gesamtdruck im System zwischen Pumpe und Entspannungsventil, ein Durchflussmengenmesswertgeber für das in diesem System strömende Luft-Flüssigkeitsgemisch sowie eine von den Messwertgebern und einem Rechenwerk beaufschlagte und ihrerseits auf das Entspannungsventil wirkende Steuerung vorge- sehen ist,
wobei die Steuereinrichtung mit einem Rechenwerk zur Erfassung der sich aus den Verhältnissen zwischen Druck und Durchflussmenge bei verschiedenen Öffnungsstellungen des Ventils ergebenden Pumpenkennlinie und zum Vergleich mit einer vorgegebenen Pumpenkennlinie und zur Festlegung des optimalen Arbeitspunktes auf der neu ermittelten Pumpenkennlinie und zur Einstellung des Ventils auf diesen optimalen Arbeitspunkt eingerichtet ist.
In denZeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt. Die Figuren sind schematisch gehalten. Fig. 1 veranschaulicht im wesentlichen eine bekannte, derartige Anlage, Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, die Fig. 3 gibt Kennlinien wieder.
Die bekannten Flotationsreinigungsanlagen (Fig. 1) besitzen ein Klärbecken --1--, in das über ein Rohr - Schmutzwasser zusammen mit Luftbläschen eingebracht wird. Das Schmutzwasser enthält etwa 1, 5 g Feststoffe pro Liter. Das Rohr --2-- besitzt in seinem aufsteigenden Teil Schlitze durch die das Schmutzwasser austreten kann. Die Feststoffe gehen im wesentlichen nach oben und bilden dort eine Schicht --4--. Ein zu vernachlässigender Teil der Feststoffe sinkt abwärts, wie bei --5-- angedeutet, und wird dort über eine Grube -- 6-- abgeleitet. Dies geschieht mit einem Schaber-7-, der über dem Boden rotiert. Im Klärbecken-l-befindet sieh ein eingesetztes Rohr --9-- in Form eines Plastik-Trennkranzes.
Der Pla- stik-Trennkranz --9-- bewirkt, dass das im Bereich --10-- austretende Schmutzwasser unten umgelenkt wird, wobei der aufsteigende Teil-11-bereits klares Wasser ist. In dem Bereich --12-- ist praktisch der optimale Klärzustand bereits erreicht. Der effektive Klärvorgang vollzieht sich im Bereich-13-.
Im Raum zwischendemRohr-- 9-- und dem Becken --1-- befindet sich somit im wesentlichen klares Wasser.
Links sind zwei Rohre --14, 15-- angesetzt. Durch das Rohr --14-- wird der Hauptanteil des klaren Wassers für die verschiedensten Verwendungszwecke abgeführt. Durch das Rohr --15-- wird eine Teilmenge der später beschriebenen erfindungsgemäss zu steuernden Flotationsanlage abgezweigt. Diese abgezweigte Menge wird über das Rohr --15-- durch eine Pumpe --16-- in einen Behälter --17-- befördert, der über ein Entspannungsventil--18--mitdem Schmutzwasserrohr-2-- verbunden ist.
In den Behälter --17-- wird durch einen Kompressor --19-- Luft hineingedrückt. Alle diese Einrichtungen --15, 16, 17 und 19-- dienen nur dazu, dem Schmutzwasser im Rohr --2-- mit Luft druckgesättigtes Wasser zuzuführen, wobei die Luft praktisch im Wasser gelöst ist ; im Wasser befinden sich also keine grossen Luftbläschen, sondern es ist praktisch eine Lösung vorhanden. Nur diese gelöste Luft ist von Bedeutung. Es wird stets über --19-- eine Überschussmenge an Luft angeboten, um der theoretisch erforderlichen Luftmenge möglichst nahe zu kommen.
Die Erfindung schlägt nun vor, den Kreislauf über --15, 16, 17-- zu --2-- und auch die Zuführung der Luft durch --19-- in quantitativer Hinsicht zu optimieren. Dies wird gemäss der Erfindung so durchgeführt, dass man durch Einstellen des Ventils --18-- eine solche mit Luft vermengte Wassermenge dem Schmutzwasserrohr --2-- anbietet, dass die kinetische Energie im Rohr --2-- auf einem Mindestmass gehalten wird. Je ruhiger bzw. langsamer im Rohr --2-- die Strömung verläuft, umso eher kann sich nach Austritt des mit Luft vermengten Schmutzwassers aus den Schlitzen --3-- eine Flotation ergeben. Die Einstellung des Ven- tils-18-ist somit massgebend für den durch die Erfindung bedingten Effekt.
Erfindungsgemäss erfolgt diese Einstellung automatisch. Die automatische Einrichtung besteht aus Messeinrichtungen, die in der Anlage eingebaut sind, und einer Steuereinrichtung, die sich in der Bedienungswarte befindet. Als Steuerorgan dient das in der Rohrleitung eingebaute Ventil--18-- mit Fernsteueran- trieb, siehe Fig. 2.
Die Messeinrichtung beinhaltet zwei Messkreise-21, 22--, einen-21-- zur Messung des Druckes und einen --22-- zur Messung des Durchflusses von Wasser-Luftgemisch in der Rohrleitung. Beide Messwerte werden verstärkt und in gewünschte, z. B. elektrische Messgrössen umgeformt, siehe Wertwandler --23, 24--.
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Diese Messsignale werden als Eingangssignale in die Steuerung--25-- geführt, wo sie auch bei -- 26, 27 -angezeigt werden können.
Die Steuereinrichtung führt im wesentlichen drei Funktionen aus : - Messung der tatsächlichen Pumpencharakteristik - Linearisierung und Ermittlung des neuen optimalen Arbeitspunktes der Anlage - Einstellung des neuen Arbeitspunktes.
Im ersten Schrittwerden fünf Stellungen des Ventils (Zu, 20%, 50%, 75% und voll offen) durch die Steuerung automatisch eingestellt und die Durchflussmenge sowie der zugehörige Druck in diesen fünf Punktender Pumpencharakteristik gemessen. Danach wird im Bereich des letzteingestellten Arbeitspunktes der Anlage die neue Charakteristik linearisiert und im Rechenwerk --28-- für die Anlage ein neuer optimaler Arbeitspunkt ermittelt. Die Steuerung --25-- gibt dann ein Ausgangssignal an, mit dessen Hilfe über den Fernstell- antrieb --29-- das Ventil--18-- eingestellt wird. Diese Ventilposition ergibt dann optimale Arbeitsbedingungen der Anlage, welche bis zur nächsten Korrektur mit Hilfe der Durchflussmessung konstant gehalten werden.
Dieser sequenzionelle Steuervorgang erlaubt die Abnutzung der Pumpe zu erfassen und in derArbeitsweise der Anlage zu berücksichtigen. Fernerhin können eine Änderung der Viskosität des strömenden Mediums sowie allgemeine Energieverluste ausgeglichen werden. Die Steuerung kann halb-oder vollautomatisch arbeiten, wobei beim vollautomatischen Betrieb der Ablauf mit einer Schaltuhr --30-- abgerufen wird.
Mit --31-- ist die Energiequelle bezeichnet.
Gemäss der Erfindung wird ein optimaler Arbeitspunkt hinsichtlich Luft- und Energieaufnahme angestrebt. Etwaige Veränderungen im Rohrsystem oder vor allem mechanische progessierende Schäden an der Pumpe (Abrieb an den Schaufelrädern bei Kreiselpumpen) können die praktische Kennlinie stark verändern.
Ähnlich fungieren auch z. B. Luftpolster im Kreiselpumpengehäuse.
Um fortwährend im optimalen Arbeitspunkt zu sein, ist die Kennlinie intermittierend in gewissen Zeitabschnitten zu überprüfen, und bei zu grossen Abweichungen nach einem, in die Steuerung eingeprägten Programm der neue optimale Arbeitspunkt über ein automatisch betätigtes Servoventil einzustellen.
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vorliegt. Die Einstellung des Ventils --18-- auf die optimierte Position dient dazu, um von allen, entlang der realen Gesamtkennlinie Pumpen-Rohrsystem, jenen einzelnen Punkt zu verifizieren, bei dem die maximale Menge an gelöster Luft in das Klärbecken-l-eingebracht wird.
Die oben genannte Schaltlogik --28-- enthält ein mathematisches Programm, das sowohl bei gegebener Pumpen-Rohr-Gesamtcharakteristik jenen singulären Punkt auf der Kennlinie sucht, der die maximale Zuführung von gelöster Luft erlaubt, als auch ein Programm das über Appell an das Steuerorgan --25-- diese Kennlinie intermittierend überprüft und bei etwaigen Veränderungen dieser den neuen Optimierungspunkt errechnet und über das Steuerorgan --25-- mittels des Servoventils einstellt.
Im folgenden wird die Berechnung der Parameter, welche für die maximale gelöste Luftmenge bestimmend sind, näher beschrieben. Dabei wird von der Pumpenkennlinie des Förderkreislaufes-16, 17, 18-- und dem Henry'sehen Gesetz über die spezifische Löslichkeit von Luft in Wasser ausgegangen. Auf Fig. 3 wird dabei verwiesen :
Bei der Berechnung wird die Pumpenkennlinie zwecks mathematischer Vereinfachung als Gerade dargestellt, für die die allgemeine Gleichung
Y = KX + d gilt.
Y und X sind Variable, K bezeichnet den Anstieg und d den Schnitt der Geraden mit der Ordinate.
Setzt man für Y die Fördermenge Q der Pumpe --16--, für X den aufgebauten Druck p im System zwischen der Pumpe --16-- und dem Ventil--18-- und für K und d die beiden Konstanten a und b, die von der Bauweise des Gesamtsystems und vom zu fördernden Medium abhängig sind, so erhält man die Gleichung
Q = a. p +b.
Das Henry'sehe Gesetz für die spezifische Luftlöslichkeit lautet allgemein
L = c. p, spez
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wobei Lspez die spezifische Luftlöslichkeit, c die Konstante für eine bestimmte Temperatur und p der Druck im Medium ist.
Die Gleichungfür die absolute gelöste Luftmenge im Gesamtsystem Pumpe --16--, Behälter --17-- und Ventil--18-- lautet : L = Q- L spez wobei L die absolute gelöste Luftmenge bezeichnet. Setzt man in diese Formel die oben stehenden Ausdrükke ein, so erhält man L= (a. p+b)'c. p, das ergibt
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von 10 bis 300C mit den entsprechenden Kurven --32 bis 36-dargestellt.
Die Lage des Maximums der absoluten Luftmenge L pro Zeiteinheit auf den Kurven erhält man durch Bildung der I. Ableitung von L
L'= 2 (a. c. p) + b. c = (2 a. p + b). c setzt man L'= 0, so erhält man als Lösung die Gleichung
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einzugeben.
Die Veränderung von b und (oder) a in der Gleichung der Kennlinie :
Q = a. p + b wird erfindungsgemäss intermittierend festgestellt, eventuell neue Werte für a und (oder) b in die Gleichung :
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eingesetzt und der daraus errechnete Druck über das Steuerorgan-25-- mittels des Servoventils --18-- und Kontrolle des Manometers --23-- eingestellt.
In der Fig. 3 ist auf der Ordinate die absolute gelöste Luftmenge L pro Zeiteinheit in l/min und auf der Abszisse der im Gesamtsystem von der Pumpe --16 - bis zum Ventil--18-- aufgebaute Druck p in bar an-
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bei den Temperaturen 10, 15, 20, 25 und 300C.
Mit der Geraden --37-- ist die Gleichung
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dargestellt.
Die Gerade --38-- ist die Verbindungslinie der Maxima der Kurven --32 bis 36--, die bei diesem Bei- spiel alle beim gleichen Druck von etwa 5,57 bar liegen, wobei a und b konstant angenommen sind.
Obige Überprüfung der Kennlinie kann nicht nur nach einem Zeitplan in gewissen Abständen durchgeführt werden, sondern der Befehl zu dieser Überprüfung kann auch jederzeit von Hand eingeleitet werden.
Die zuvor gewählte mathematische Darstellung der Pumpenkennlinien des Systems durch eine Gerade ist nur als mathematische Vereinfachung aufzufassen. Wird für die Berechnung die exakte Pumpenkennlinie im jeweiligen System herangezogen, so würde die Genauigkeit des Ergebnisses verbessert, amPrinzipder Überlegungen jedoch nichts verändert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur halb-oder vol1automatischenErmittlung und Steuerung der optimalen Zusatzgeschwindigkeit und des optimalen Ausströmdruckes einer unter Druck erzeugten Lösung eines Gases in einer Flüssigkeit zu einer, in einem Rohrsystem strömenden Flüssigkeit, im Hinblick auf den Eintrag grösstmöglicher gelöster Gasmengen bei möglichst langsamem und energiesparendem (gleichmässigem) Verlauf dieses Stromes, insbesondere zur Ermittlung und Steuerung des Zulaufes eines unter Druck mit Luft gesättigten Wasserstromes zu einem in eine Entspannungsflotationsanlage zu leitenden Abwasserstrom, bei welcher Vorrichtung aus einer Reinwasserquelle bzw.
aus dem Flotationsbehälter ein System zur Abzweigung einer Reinflüssigkeitsmenge über eine Pumpe zu einem Mischbehälter vorhanden ist, in welchen eine Druckgasleitung einmündet und in welchem Druckgas in der Flüssigkeit gelöst wird, von welchem Mischungsbehälter eine Abfuhrleitung über ein fernsteuerbares Entspannungsventil in die die strömende Flüssigkeit führende Rohrleitung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmesswertgeber (21, 23) fdr den herr- schenden Gesamtdruck im System zwischen Pumpe (16) und Entspannungsventil (18), ein Durchflussmengen- messwertgeber (22,24) für das in diesem System strömende Luft-Flüssigkeitsgemisch sowie eine von den Messwertgebern (21, 22, 23, 24) und einemRechenwerk (28)
beaufschlagte und ihrerseits auf dasEntspannungsventil (18) wirkende Steuerung (25) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung mit einem Rechenwerk (28) zur Erfassung der sich aus den Verhältnissen zwischen Druck und Durchflussmenge bei verschiedenen Öffnungsstellungen des Ventils (18) ergebenden Pumpenkennlinie und zum Vergleich mit einer vorgegebenen Pumpenkennlinie und zur Festlegung des optimalen Arbeitspunktes auf der neu ermittelten Pumpenkennlinie und zur Einstellung des Ventils (18) auf diesen optimalen Arbeitspunkt eingerichtet ist.