Verfahren und Anordnung zum Anreichern des Wassers von Flussläufen mit Sauerstoff aus der Atmosphäre
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anreichern des Wassers von Flussläufen mit Sauerstoff aus der Atmosphäre, insbesondere zur Förderung der biologischen und chemischen Abbauvorgänge bei der Selbstreinigung von Flüssen.
Gemäss der Erfindung wird der Vorschlag gemacht, dass die in Flussläufen eingebauten Turbinen zur Belüftung des Flusswassers herangezogen werden, indem die Anreicherungsluft von den Turbinen an Stellen starker örtlicher Druckerniedrigung dem Wasser zugeführt wird.
Es ist an sich bekannt, den Laufrädern von Turbinen zum Zwecke der Verhinderung von Erschütterungen Luft zuzuführen, und zwar in einer Menge, deren Grössenordnung etwa zwischen t/2 und 1 0/0 der von der Turbine verarbeiteten Wassermenge liegt. Die Erfindung ermöglicht die gleichen oder ähnliche Einrichtungen zu dem obengenannten andern Zweck der biologischen Selbstreinigung eines Flusses zu verwenden. Hierfür werden die Einrichq tungen so ausgebildet, dass durch sie eine wesentlich grössere Luftmenge, und zwar zweckmässig etwa bis zum Zwanzigfachen der Menge, also etwa bis zu 20 O/o der von der Turbine verarbeiteten Wassermenge in das Flusswasser eingeführt werden kann.
Die Luft wird erfindungsgemäss von den Turbinen an Stellen starker örtlicher Druckerniedrigung dem Wasser zugeführt. Es wird hierbei von der Erkenntnis ausgegangen, dass hauptsächlich hinter dem Turbinenlaufrad bzw. am Eintritt in den Saugrohrkrümmer in Abhängigkeit von der jeweiligen Durchfluss-Wassermenge und von der Lage des Unterwasserspiegels ein gegenüber dem Atmosphärendruck derartig kräftiger Unterdruck vorherrscht, dass es mit Hilfe dieses Druckunterschiedes möglich ist, an den genannten Unterdruckstellen eine Luftmenge einzuleiten, die genügt, um das Flusswasser mit Sauerstoff wirksam anzureichern. Dadurch ist es möglich, die Luft dem Fluss ohne Pumpen oder sonstige kraftverzehrende Maschinen zuzuführen.
Ferner kann die Luft durch eine grössere Anzahl kleiner Bohrungen oder Düsen zugeführt werden, so dass die Luftblasen im Wasser klein sind und die Sauerstoffaufnahme des Wassers ein Optimum wird.
Ausserdem ist die Wasserströmung hinter dem Turbinenlaufrad sehr stark und turbulent. Dadurch werden die Luftblasen mit dem Wasser so gut vermischt, dass, wie durch Versuche bestätigt worden ist, an der Saugrohraustrittsstelle der Turbine eine nahezu gleichmässige Luftverteilung im Wasser erzielt wird. Schliesslich hat die Luft auf dem verhältnismässig langen Weg durch das Turbinensaugrohr auch genügend Zeit, ihren Sauerstoff an das Wasser abzugeben.
Die Luft wird zweckmässig durch einen oder mehrere um das Saugrohr herumgelegte Ringkanäle zugeführt, die durch Bohrungen, Düsen oder dergleichen mit dem Unterdruckgebiet im Saugrohr in Verbindung stehen. Man könnte aber auch daran denken, die Luftmenge durch Abschalten einzelner oder Gruppen von Bohrungen zu dosieren oder durch besondere Vorrichtungen die Bohrungsquerschnitte zu verändern. Auf jeden Fall ist bei ausreichendem Sauerstoffgehalt ein vollständiger und dichter Abschluss der Luftzuführung notwendig.
Solche Ringkanäle können in die meisten Turbinen auch noch nachträglich eingebaut werden. Unter Umständen ist es auch angebracht, die Luftzuführungsrohre in den Wasserstrom des Saugrohres hineinragen zu lassen. Weiter ist es auch möglich, die Anreicherungsluft durch die hohle Turbinen Laufradwelle oder auch unmittelbar vor dem Turbinen-Laufradeintritt zuzuführen.
Die Menge der Luftzufuhr kann in Abhängigkeit vom Sauerstoffbedarf des Wassers, und zwar automatisch oder von Hand, gesteuert werden. Nun wird aber bekanntlich die Turbinenleistung durch das Einführen von in diesem Falle grösseren Luftmengen mehr oder minder stark beeinflusst. Es ist daher vorteilhaft, die dem Wasser zuzuführende Luftmenge in Abhängigkeit von einer oder mehreren Betriebsgrössen der Turbine, am besten automatisch, zu steuern. Selbstverständlich ist auch eine Regelung von Hand möglich. So kann man beispielsweise bei Spitzenbelastung der Turbine so wenig Anrei cherungsktft zuführen, dass hierdurch der Turbinenwirkungsgrad gar nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird. In den Nachtstunden ist dagegen meistens eine bedeutend niedrigere Turbinenleistung erforderlich.
Unter Umständen können Turbinen sogar nachts ohne Leistungsabgabe laufen. In diesem Falle braucht dann auf Erhaltung eines hohen Wir k.ungsgrades oder eines bestimmten Gefälles nicht mehr so sehr geachtet zu werden, so dass eine entsprechend grössere Menge von Anreicherungsluft zugeführt und demzufolge das Flusswasser zu Zeiten geringer Turbinenleistung besonders intensiv mit Luftsauerstoff angereichert werden kann.
Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgeschlagene erfindungsgemässe Anordnung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen jeweils im Längsschnitt:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Kaplanturbine, bei der ein Ringkanal für die Luftzuführung angeordnet ist,
Fig. 2 eine Anordnung, bei der das Luftzuführungsrohr in das Saugrohr hineinragt.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine Kaplanturbine 1, an deren Saugrohr 2 ein mit der Atmosphäre über eine Rohrleitung 3 in Verbindung stehender Ringkanal 4 angeordnet ist. Dieser Ringkanal ist so um das Saugrohr herumgelegt, dass die Anreicherungsluft durch dessen Düsen 5 direkt in das innerhalb des Saugrohres liegende Unterdruckgebiet eingeführt werden kann. In die Rohrleitung 3 ist noch ein Regulierventil 6 eingebaut, durch das die Menge der zuzuführenden Anreicherungsluft reguliert werden kann, und zwar beispielsweise in Abhängigkeit von einem hier nicht gezeichneten Turbinenregler.
Ausserdem ist hier noch gezeigt, wie die Anreicherungsluft durch eine Bohrung 7 der Laufradnabe 8 in das Saugrohr eingeführt werden kann. Auch hier ist ein Regulierventil 60 eingebaut. Ebenso kann auch die Anreicherungsluft durch einen unmittelbar vor dem Laufrad 1 angeordneten Ringkanal 50 über die ebenfalls durch ein Regulierventil 6 absperrbare Leitung 30 zugeführt werden.
In Fig. 2 ist wiederum eine Kaplanturbine schematisch dargestellt. Die Anreicherungsluft wird hier durch ein unmittelbar in das Saugrohr 2 der Turbine 1 hineinragendes Belüftungsrohr 3 mit Ventil 6 eingeführt. Sofern es zweckmässig erscheint, kann die Anreicherungsluft selbstverständlich auch bei dieser Anordnung zusätzlich noch durch die Laufraduabe und etwa auch noch durch einen vor dem Laufrad angeordneten Ringkanal zugeführt werden.
Method and arrangement for enriching the water of rivers with oxygen from the atmosphere
The present invention relates to a method for enriching the water of rivers with oxygen from the atmosphere, in particular for promoting biological and chemical degradation processes in the self-cleaning of rivers.
According to the invention, the proposal is made that the turbines built into rivers are used to aerate the river water, in that the enrichment air is supplied to the water from the turbines at points of strong local pressure reduction.
It is known per se to supply air to the impellers of turbines for the purpose of preventing vibrations, namely in an amount whose order of magnitude is approximately between t / 2 and 1 0/0 of the amount of water processed by the turbine. The invention enables the same or similar devices to be used for the above-mentioned other purpose of biological self-cleaning of a river. For this purpose, the devices are designed in such a way that a significantly larger amount of air, expediently up to twenty times the amount, i.e. up to about 20% of the amount of water processed by the turbine, can be introduced into the river water.
According to the invention, the air is supplied to the water by the turbines at points of strong local pressure reduction. It is based on the knowledge that mainly behind the turbine impeller or at the inlet to the intake manifold, depending on the respective flow rate of water and the position of the underwater level, there is such a strong negative pressure compared to the atmospheric pressure that it is possible with the help of this pressure difference is to introduce an amount of air at the mentioned negative pressure points that is sufficient to effectively enrich the river water with oxygen. This makes it possible to feed the air into the river without pumps or other power-consuming machines.
Furthermore, the air can be supplied through a larger number of small bores or nozzles, so that the air bubbles in the water are small and the oxygen uptake of the water is optimal.
In addition, the water flow behind the turbine runner is very strong and turbulent. As a result, the air bubbles are mixed with the water so well that, as has been confirmed by tests, an almost even distribution of air in the water is achieved at the suction pipe outlet point of the turbine. After all, on the relatively long way through the turbine suction pipe, the air has enough time to release its oxygen to the water.
The air is expediently supplied through one or more annular channels placed around the suction pipe, which are connected to the negative pressure area in the suction pipe through bores, nozzles or the like. But one could also think of metering the amount of air by switching off individual or groups of bores or changing the bore cross-sections using special devices. In any case, if the oxygen content is sufficient, the air supply must be completely and tightly closed.
Such ring channels can also be retrofitted in most turbines. Under certain circumstances it is also appropriate to let the air supply pipes protrude into the water flow of the suction pipe. It is also possible to supply the enrichment air through the hollow turbine impeller shaft or directly in front of the turbine impeller inlet.
The amount of air supplied can be controlled automatically or manually depending on the oxygen demand of the water. As is well known, however, the turbine output is influenced to a greater or lesser extent by the introduction of larger amounts of air in this case. It is therefore advantageous to control the amount of air to be supplied to the water as a function of one or more operating variables of the turbine, preferably automatically. Of course, manual control is also possible. For example, when the turbine is under peak load, so little enrichment can be added that the turbine efficiency is not influenced at all or only insignificantly. In the night hours, however, a significantly lower turbine output is usually required.
Turbines may even run at night with no power output. In this case, it is no longer necessary to pay attention to maintaining a high degree of efficiency or a certain gradient, so that a correspondingly larger amount of enrichment air can be supplied and consequently the river water can be enriched particularly intensively with atmospheric oxygen at times of low turbine power.
The arrangement according to the invention proposed for carrying out the method according to the invention is shown in the drawing in two exemplary embodiments. It shows in longitudinal section:
1 shows the schematic representation of a Kaplan turbine in which an annular duct is arranged for the air supply,
2 shows an arrangement in which the air supply pipe protrudes into the suction pipe.
1 shows in a schematic manner a Kaplan turbine 1, on the suction pipe 2 of which an annular channel 4 connected to the atmosphere via a pipeline 3 is arranged. This annular channel is placed around the suction pipe in such a way that the enrichment air can be introduced through its nozzles 5 directly into the negative pressure area located inside the suction pipe. A regulating valve 6 is also built into the pipeline 3, by means of which the amount of enrichment air to be supplied can be regulated, specifically, for example, as a function of a turbine regulator, not shown here.
It is also shown here how the enrichment air can be introduced into the suction pipe through a bore 7 in the impeller hub 8. A regulating valve 60 is also installed here. Likewise, the enrichment air can also be supplied through an annular channel 50 arranged directly in front of the impeller 1 via the line 30 which can also be shut off by a regulating valve 6.
A Kaplan turbine is again shown schematically in FIG. The enrichment air is introduced here through a ventilation pipe 3 with valve 6 which projects directly into the suction pipe 2 of the turbine 1. If it appears expedient, the enrichment air can of course also be supplied in this arrangement through the impeller hub and, for example, also through an annular channel arranged in front of the impeller.