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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen
Einmischung von Wirksubstanzen (beispielsweise als partikuläres
oder gelöstes Material) in Gewässer unter Nutzung
eines Freistrahls, sowie Verwendungen dieses Verfahrens und der
Vorrichtung.
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Gewässer,
wie natürlich und künstlich entstandene Seen,
Talsperren, Weiher und Teiche, sind oft prägende Bestandteile
der Landschaft. Sie werden seit jeher vom Menschen vielfältig
genutzt, ursprünglich vorwiegend unter wirtschaftlichen
Aspekten wie Fischerei, Jagd, Schilfrohrgewinnung, Entnahme von
Trink-, Brauch- und Bewässerungswasser, später
auch zur Abflussregulierung von Fließgewässern
(Hochwasserschutz, Niedrigwasserauffüllung) und Energiegewinnung.
Erst in den vergangenen Jahrzehnten gewannen Freizeit- und Erholungsnutzungen
sowie der Naturschutz zunehmend an Bedeutung.
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Anthropogene
Beeinflussungen haben weltweit die ursprünglichen Gewässerökosysteme
zahlreicher Seen tiefgreifend verändert. Dies gilt im besonderen
Maße für die Eingriffe durch großflächige Tagebaumaßnahmen
und dadurch ausgelöste Landschaftsrestrukturierungen.
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Neben
Uferzerstörung, Wasserstandsregulierung und Eintrag von
Schadstoffen, bereitet vor allem die durch den Eintrag von Nährstoffen
verursachte und anthropogen bedingt sehr schnelle Zunahme der Trophie – die
Eutrophierung – erhebliche Probleme: Sie verändert
die aquatischen Ökosysteme und schränkt die Nutzungsmöglichkeiten
vieler Gewässer ein.
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Neben
der Eutrophierung beeinträchtigt auch die Versauerung die
Beschaffenheit und Nutzungsmöglichkeiten von Gewässern.
Neben natürlich entstandenen Seen in kalkarmen Gebieten
sind hiervon vor allem viele Braunkohlentagebauseen betroffen.
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Insbesondere
wegen der negativen Folgen der Eutrophierung, aber auch zur Sanierung
und Restaurierung von Tagebauseen, sind ab der zweiten Hälfte
des letzten Jahrhunderts für die Erhaltung der Gewässer
eine Vielzahl von Maßnahmen zur Symptombehandlung und Ursachenbekämpfung
entwickelt und angewendet worden.
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Im
Rahmen von Gewässersanierungen und/oder -restaurierungen
kann das Eintragen von partikelbeladenen Fluidströmen (Nährstoffsubstraten,
Chemikalien o. ä.) einen zielführenden Beitrag für
eine solche Maßnahme leisten. Maßgebliche Restaurierungsmaßnahmen
sind u. a. im Merkblatt DWA-M606 (DWA-Regelwerk, Merkblatt
DWA-M 606 „Grundlagen und Maßnahmen der Seentherapie", Dezember
2006) zusammenfassend dargestellt.
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Eine
grundlegende Problemstellung der Maßnahmen, die auf dem
Eintragen von partikulärem Material basieren, ist das effiziente
Einmischen und Verteilen der Wirksubstanzen. Die Vereinzelung der Partikel
in dem zu konditionierenden Flüssigkeitsvolumen ist hierbei
ein maßgebliches Kriterium. Ein Optimum lässt
sich dann erreichen, wenn zum einen eine große spezifische
Oberfläche des reaktiven partikulären Materials
für die Reaktion zur Verfügung gestellt werden
kann und zum anderen das Einmischen partikelbeladener Fluidströme
in ein möglichst großes Flüssigkeitsvolumen
erfolgt und das Gesamtvolumen der Flüssigkeitsansammlung
vollständig mit der theoretisch oder praktisch bestimmten
Wirkdosis des partikulären Material durchmischt wird. Diese
Ansätze sind unter den Gesichtspunkten des geringsten Energieaufwandes
zu verfolgen.
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Der
Größe der einzutragenden Partikel sind in Bezug
auf die praktische Handhabbarkeit (Herstellung, Lagerung und Transport)
Grenzen gesetzt. Der Optimierungsansatz und somit die Lösung
der Problemstellung ist daher vor allem in der Eintragstechnologie
selbst zu suchen.
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Gegenwärtig
praktizierte Verfahren, die den Eintrag partikelbeladener Fluidströme
(Suspensionen) im Fokus haben, u. a. im Kontext von Restaurierungsmaßnahmen
von Oberflächengewässern eingesetzt werden, bedienen
sich des Eintrags der reaktiven Suspension über bzw. auf
der Wasseroberfläche. Daraus ergeben sich hohe investive
Kosten, wie auch Betriebskosten, z. B. hohe energetische Kosten,
da hohe Vordrucke an den Verteileinrichtungen erforderlich sind.
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Bisher
bekannte Technologien, wie z. B. Schlag- oder Starkregner, applizieren
die partikulären Materialien bzw. die damit beladenen Fluidströme
oberhalb oder auf der Gewässeroberfläche. Die dadurch
zu erreichenden Durchmischungsvorgänge und Eindringtiefen
sind nicht ausreichend, um für eine gleichmäßige
Durchmischung des Gewässervolumens zu sorgen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oder mehrere Nachteile
des Standes der Technik zu vermindern oder zu überwinden.
Insbesondere war es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereitzustellen, welches mit geringem investiven und
energetischen Aufwand ein Einbringen und Verteilen von Wirksubstanzen
(beispielsweise als partikuläres oder gelöstes
Material) in ein Gewässer mit einem hohen Wirkungsgrad
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch Bereitstellung eines Verfahrens zur gleichmäßigen
Einmischung von Wirksubstanzen (beispielsweise als partikuläres
oder gelöstes Material) in Gewässer gelöst,
umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellung von
Trägerfluid;
- b) Herstellung einer Suspension oder Lösung enthaltend
mindestens eine Wirksubstanz und Trägerfluid;
- c) Einleitung der Suspension oder Lösung in das Gewässer
als Freistrahl über Düsen, die unterhalb der Gewässeroberfläche
angeordnet sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren bedient sich grundlegend
der Mechanismen eines Freistrahls. Bei einem Freistrahl wird das
Flüssigkeitsvolumen in einem durch die Flüssigkeitsansammlung strömenden
Strahl geführt, der nicht durch Führungswände
begrenzt ist (siehe auch Bollrich G. et al, „Technische
Hydromechanik Band 2, Spezielle Probleme", VEB Verlag für
Bauwesen, Berlin 1989).
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Durch
einen turbulenten Freistrahl werden mit sehr geringem Energieeinsatz
zum einen sehr große Reichweiten oder Eindringtiefen erreicht
und zum anderen werden große Anteile des Wasserkörpers
durch die Turbulenzen eingemischt und in tiefere Bereiche transportiert.
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Durch
Verwendung eines Freistrahls, der mit partikulärem Material
beladen ist, kommt es zu einem hoch turbulenten Einmischen und dadurch
zu einer effizienten Vereinzelung der einzumischenden Feststoffpartikel.
Somit werden die Feststoffpartikel effektiv in ein großes
Gewässervolumen gleichmäßig eingemischt
und sind dadurch schneller in einem größeren Teil
des Gewässers in einer gewünschten Konzentration
vorhanden und reaktionsbereit.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann überall
dort zum Einsatz gebracht werden, wo eine Wirksubstanz fein verteilt
in einen Wasserkörper/Wasservolumen gleichmäßig
einzumischen ist. Dies gilt insbesondere für die chemische
Nährstoff-Fällung, die Sedimentabdeckung oder
die Neutralisation in großen Wasservolumen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass
ein Trägerfluidvolumenstrom durch die Dosierung von mindestens
einer Wirksubstanz variablen Feststoffgehaltes (beispielsweise als
partikuläres oder gelöstes Material) beladen wird.
Als Wirksubstanz kommt grund sätzlich jedes Material in
Frage, welches sich im Trägerfluid bis zur gewünschten Konzentration
suspendieren oder lösen lässt. Insbesondere kann
die Wirksubstanz ein partikuläres Material sein, ein gasförmiges
Material sein oder als flüssiges Material vorliegen. Die
Wahl der Wirksubstanz hängt dabei von der gewünschten
Wirkung ab, die durch erfolgreichen Eintrag des Materials in das Gewässer
erzielt werden soll. Dem Fachmann sind in Abhängigkeit
vom verfolgten Zweck entsprechende Wirksubstanzen bekannt. Insbesondere
kann es sich dabei um Neutralisationsmittel, beispielsweise Kalk-basierte
Wirksubstanzen, Flockungsmittel, Nährstoffe oder andere
Chemikalien und Materialien handeln.
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Die
Dosierung kann außerhalb der Systemgrenzen der Erfindung
durchgeführt werden, erfolgt aber in jedem Fall durch ein
Zumischen einer oder mehrerer Wirksubstanzen in das Trägerfluid.
Dabei ist es nicht notwendig, das die Wirksubstanz als Reinstoff
dem Trägerfluid beigemischt wird. Die Wirksubstanz kann
auch als vorgefertigtes Gemisch, beispielsweise als „master
mix”, als Stammlösung oder als Konzentrat vorliegen
und dem Trägerfluid beigemischt werden. Die Herstellung
einer Suspension oder Lösung kann in einem Mischaggregat
erfolgen, z. B. mittels eines Rührwerks. Auch andere Möglichkeiten
zur Herstellung der Suspension oder Lösung sind im erfindungsgemäßen
Verfahren einsetzbar. Der Masseanteil der Wirksubstanzen in der
Suspension oder Lösung richtet sich nach dem qualitativ
zu erreichenden Behandlungsziel des zu behandelnden Gewässers.
Um einen besonders günstigen Einmischeffekt zu erzielen,
sollte der Masseanteil der Wirksubstanzen in der Suspension oder
Lösung nicht mehr als 30% betragen.
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Als
Trägerfluidvolumenstrom kann grundsätzlich jedes
Fluid genutzt werden, welches mit der Wirksubstanz zu einer Suspension
oder Lösung vermischbar ist. Der Fachmann kann das Trägerfluid
in Abhängigkeit des zu erzielenden Zwecks auswählen. Bevorzugt
kann das Fluid des Gewässers als Trägerfluid genutzt
werden, in welches die Wirksubstanz einzumischen ist, beispielsweise
das jeweilige Seewasser bzw. Oberflächenwasser. Dadurch
werden Kosten eingespart, da kein Trägerfluid bereitgestellt werden
muss. Es wird auch die Zusammensetzung des Gewässers nicht
weiter beeinflusst, die einzige Veränderung stellt die
kontrollierte Einmischung von Wirksubstanz dar.
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Über
eine Temperierung des Trägerfluidvolumenstromes kann eine
zusätzliche Steuerungsgröße bereitgestellt
werden, die die Ausbreitung des beladenen Freistrahls im Wasservolumen
steuern kann. Insbesondere kann die Suspension oder Lösung
im erfindungsgemäßen Verfahren bei Einleitung
eine vorgegebene Temperatur aufweisen. Grundsätzlich stehen
dem Fachmann viele Methoden bereit, die Temperatur der Suspension
oder Lösung einzustellen (Heizaggregate, Kühlaggregate
etc). Bevorzugt ist diese Temperatur niedriger als die Temperatur
des Gewässerbereichs, in den die Einleitung der Suspension
oder Lösung erfolgt. In einer bevorzugten und besonders
energiesparenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird eine vorgegebene, erwünschte Temperatur
der Suspension oder Lösung erreicht durch gezielte Entnahme
von Trägerfluid aus einem ausgewählten Bereich
des Gewässers, der eine bestimmte Temperatur aufweist.
Die Temperierung kann insbesondere über eine gesteuerte
Tiefenentnahme des Trägerfluidvolumenstromes aus dem zu
behandelnden Gewässer (Tagebausee/Oberflächengewässer)
erfolgen.
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Der
wirksubstanzbeladene Volumenstrom wird in Form eines wirksubstanzbeladenen
Freistrahls in das zu beaufschlagende Gewässer eingeleitet.
Die Einleitung erfolgt unterhalb der Wasseroberfläche.
Das im wirksubstanzbeladenen Freistahl transportierte Volumen strömt
zum einen aufgrund von Dichteunterschieden und zum anderen aufgrund der
allgemeinen Gesetzmäßigkeiten des Freistrahls in
tiefere Bereiche des Wasservolumens. Dabei kann sich die Wirksubstanz,
insbesondere der partikelbeladene Freistahl, über weite
Strecken durch das Wasservolumen bewegen. Hierbei ist ein durch
den wirksubstanzbeladenen Freistrahl unmittelbar beeinflusster Nahbereich
(unmittelbar homogenisierter Bereich) und der sich durch die ausbildenden
Dichtegradienten umseitig anschließende Fernbereich zu
unterscheiden. Bei einem wirksubstanzbeladenen Freistrahl kann davon
ausgegangen werden, dass es sich um einen abtriebsbedingten Strahl
handelt, da die Dichte des beladenen Freistrahls i. d. R. größer ist
als die Dichte des zu behandelnden Gewässers. in Strömungsrichtung
nimmt die Mischungszone an Breite zu (siehe 1). Aufgrund
der turbulenten Schwankungsbewegung an den Strahlberandungen wird
ein seitlicher Impulsaustausch induziert. Dieser Effekt bewirkt
ein Mitreißen des ruhenden Umgebungsfluids und erfasst
in seinem Fortschreiten immer größere Bereiche
des Wasserkörpers. Die Schleppwirkung des Strahls initiiert
einen so genannten Einsaugeffekt (siehe auch Schlichting
H., Gersten K., Grenzschicht-Theorie", 9. Auflage, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg, 1997). In der abwärtsgerichteten
Bewegung des wirksubstanzbeladenen Freistrahls wird, über
die Lauflänge des Strahls, Umgebungsfluid in den Strahl
eingemischt (turbulente Vermischung), was eine Vereinzelung und
Einmischung der durch den Freistahl zu verteilenden Wirksubstanz in
das Wasservolumen folgen lässt. Ein turbulentes Einmischen
kleiner Wirkdosen in große Wasservolumina kann somit effizient
erzielt werden.
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Über
die Lauflänge des Strahls erfolgt die Umwandlung der kinetischen
Energie bei gleichbleibendem Impuls entlang der Strahlachse. Die
Gesetzmäßigkeiten der freien Strahlturbulenz gelten
allgemein nur für unendlich ausgedehnte Wasservolumina.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine horizontale
wie vertikale Begrenzung durch z. B. die Sohle und die Berandung
(Uferbereiche) zu erwarten. Somit ergeben sich aus strömungs technischer Sicht
beim Auftreffen bzw. Umlenken des Strahls durch eine Grenzfläche,
da der Strahl an diesem Punkt kein Umgebungsfluid mehr aus der Umgebung aufnehmen
kann, der Impuls jedoch konstant bleibt, folgende Effekte:
Mit
dem Auftreffen der Strahlgrenze auf eine Grenzfläche (z.
B. Gewässersohle) erfolgt ein Übergang von der
Bewegung im Strahl (Nahfeld – Erhalt des Anfangsimpulses)
zu einer Bewegung unter dem Einfluss der Dichtegradienten (Fernfeld).
Im Übergangsbereich kommt es zum Ausbilden einer konusförmigen
Walze, deren Drehimpuls dem Anfangsimpuls des Strahles entspricht
(Impulserhaltung). Bei Existenz eines Dichtegradienten erfolgt ein
Abströmen in Fernbereiche aus der sich ausbildenden Strömungswalze,
welches zu einem Zuströmen von Fluid aus dem Wasserkörper
hin zur Walze an den Grenzflächen führt (z. B.
Sohle, Wasserspiegel) und mit einem Vermischen der sich ergebenen
Teilströme verbunden ist. Somit wird ein rotierendes, zylindrisches Wasservolumen
um die Einmischungsstelle erzeugt. In diesem Volumen erfolgt eine
Homogenisierung der Konzentration der durch den beladenen Freistrahl eingetragenen
Wirksubstanz.
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Durch
eine gesteuerte Tiefenentnahme des Trägerfluides kann dieses,
in den Grenzen der durch die Gewässerschichtung zur Verfügung
stehenden Temperaturen, temperiert werden. Somit wird erreicht,
dass durch die Ausbreitung des wirksubstanzbeladenen Freistahls
Fluidvolumenströme, z. B. durch höhere Temperatur
aus der Oberflächenentnahme oder niedrigerer Temperaturen
aus tieferen Gewässerschichten, aufgrund der sich einstellenden Dichtedifferenzen
im Vertikalprofil, ein Aufsteigen der wärmeren bzw. ein
Absinken von kälteren Schichten erfolgt. Dieses Einwirken
befördert die Durchmischung und Ausbreitung der Wirksubstanzen
und die gleichzeitige Zirkulation des Wasservolumens.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgestaltet
sein, dass die Einleitung der Suspension oder Lösung derart
geschieht, dass die durch Wind verursachten natürlichen
Wasserbewegungen mitberücksichtigt werden und verstärkend
in den Einmischvorgang eingebunden werden. Durch die in dem Gewässer
entsprechend der Hauptwindrichtung ausgeführte Einleitung
ergeben sich, durch die windexponierte Lage, für die zu
behandelnden natürlichen Gewässer unterstützende
Effekte. Die durch den Windeinfluss induzierte Oberflächenströmung
unterstützt das sich durch den Freistrahl ausbildende rotierende,
zylindrische Wasservolumen (treibt es an) und führt somit
zu einer weiteren Verteilung der eingemischten Wirksubstanz.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Einleitung der Suspension oder Lösung enthaltend die
Wirksubstanz und das Trägerfluid als Freistrahl über
eine Düse, die unterhalb der Gewässer oberfläche
angeordnet ist. Es können verschiedenste Düsen
unterschiedlicher Konstruktion verwendet werden, vorausgesetzt diese
erlauben die Einleitung der Suspension oder Lösung als
Freistrahl. Beispielsweise sind zylindrische Düsen, Kugeldüsen,
Venturidüsen, Strahldüsen, Diffusor und/oder Konfusor
einsetzbar. Dem Fachmann sind verschiedene Düsenkonstruktionen und
-kombinationen bekannt, die im erfindungsgemäßen
Verfahren eingesetzt werden können. Die Düsen
sind unterhalb der Wasseroberfläche derart angeordnet,
dass die Suspension oder Lösung aus der Düse unterhalb
der Gewässeroberfläche austritt. Insbesondere
erfolgt die Einleitung der Suspension oder Lösung über
Düsen, die unterhalb des Gewässerspiegels in einer
Tiefe angeordnet sind, die eine Störung der Einleitung
durch Oberflächenwellen ausschließt, bevorzugt
in einer Tiefe von mindestens 10 cm. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Einleitung über Düsen,
die unterhalb des Gewässerspiegels in einer Tiefe von 20
cm bis 50 cm angeordnet sind.
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In
einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Einleitung der Suspension oder Lösung
in das Gewässer mit einer Austrittsgeschwindigkeit, die
für eine ausreichende Eindringtiefe und für eine
ausreichende Turbulenzentwicklung sorgt. Weiter bevorzugt wird eine
Austrittsgeschwindigkeit verwendet, die mindestens der doppelten
Fließgeschwindigkeit der Suspension oder Lösung
auf dem Weg zur Düse entspricht. Ganz besonders bevorzugt
beträgt die Austrittsgeschwindigkeit mindestens 3 m/s.
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Zur
Erhöhung des Wirkungsgrades (z. B. Neutralisationswirkung
saurer Gewässer) kann der Suspensions- oder Lösungsstrom
(z. B. Suspension oder Lösung aus Calziumcarbonat, Calziumhydroxid, Soda,
Magnesiumcarbonat) mit Gasen (z. B. CO2) angereichert
werden. Bei der der Verwendung von z. B. Suspensionen oder Lösungen
enthaltend Calziumcarbonat, Calziumhydroxid, Soda und/oder Magnesiumcarbonat
werden somit, unter Verwendung von CO2 Hydrogencarbonat-Suspensionen
oder -Lösungen erzeugt. Die Einmischung des Gases und/oder
Gasgemisches (z. B. CO2) erfolgt mittels Druck über
Düsen (z. B. zylindrische Düse, Kugeldüse,
Venturidüse, Strahldüse) bevorzugt direkt in den Suspensions-
oder Lösungsstrom.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Ausführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- a) eine Entnahmeeinrichtung, mit der einem Gewässer
Trägerfluid entnehmbar und einem Mischaggregat zuführbar
ist;
- b) ein Mischaggregat, mit dem entnommenes Trägerfluid
mit Wirksubstanz zu einer Suspension oder Lösung vermischbar
ist;
- c) eine Verteilerleitung, mit der eine Suspension oder Lösung
vom Mischaggregat zu einem Injektionssystem befördert werden
kann;
- d) ein Injektionssystem unfassend mindestens eine Düse,
mit dem eine Suspension oder Lösung aus einer Verteilerleitung
einem Gewässer derart zuführbar ist, dass die
Suspension oder Lösung in das Gewässer als Freistrahl über
eine unterhalb der Gewässeroberfläche angeordnete
Düse einleitbar ist;
- e) eine Antriebseinrichtung, mit der in der Vorrichtung ein
Fluidstrom von der Entnahmeeinrichtung über ein Mischaggregat
und eine Verteilerleitung hin zu einem Injektionssystem erzeugbar
ist.
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Über
die Entnahmeeinrichtung wird dem Gewässer, in welches die
Wirksubstanz eingemischt werden soll, Trägerfluid entnommen.
Die Entnahmevorrichtung ist mit einem Mischaggregat derart funktional
verbunden, dass das entnommene Trägerfluid dem Mischaggregat
zugeführt werden kann. Im Mischaggregat wird das Trägerfluid
mit der Wirksubstanz zu einer Suspension oder Lösung vermischt. Über
eine Verteilerleitung, die funktional mit dem Mischaggregat verbunden
ist, wird die Suspension oder Lösung aus dem Mischaggregat
abgeführt und einem Injektionssystem zugeführt.
Das Injektionssystem ist derart ausgestaltet, dass die Suspension
oder Lösung als Freistrahl in das Gewässer unterhalb
der Gewässeroberfläche eingeleitet werden kann.
Zu diesem Zweck weist das Injektionssystem mindestens eine Düse
auf, die unterhalb der Gewässeroberfläche angeordnet
ist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Antriebseinrichtung auf, die mit den anderen Komponenten der
Vorrichtung derart funktional verbunden ist, dass in der Vorrichtung ein
Fluidstrom von der Entnahmeeinrichtung über ein Mischaggregat
und eine Verteilerleitung hin zu einem Injektionssystem erzeugt
werden kann. Diese Antriebseinrichtung sorgt dafür, dass
an der Entnahmeeinrichtung Fluid aufgenommen werden kann, dem Mischaggregat
zugeführt wird und schließlich als Suspension
oder Lösung über das Injektionssystem in das Gewässer
eingeleitet werden kann.
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Zusätzlich
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine mobile
oder immobile, landseitige oder wasserseitige Lager- oder Speichereinheit
aufweisen, in der Wirksubstanz gelagert werden kann, bis es mit
Fluid zu einer Suspension oder Lösung vermischt wird. Dazu
ist die Lager- oder Speichereinheit mit dem Mischaggregat derart
funktional verbunden, dass regelbar eine vorher festgelegte Menge
an Wirksubstanz dem Mischaggregat zugeführt werden kann.
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Die
Entnahmevorrichtung ist so ausgestaltet, dass mithilfe dieser Vorrichtung
dem Gewässer Fluid entnommen werden kann. Dazu kann die
Entnahmevorrichtung ein Entnahmerohr und einen Entnahmestutzen aufweisen.
Das Entnahmerohr verbindet dabei den Entnahmestutzen mit dem Mischaggregat direkt
oder indirekt. Das Entnahmerohr ist bevorzugt aus einem Material
gefertigt, dass eine mehrfache Entnahme von Fluid erlaubt. Bevorzugt
ist das Entnahmerohr so ausgestaltet, dass es flexibel ist und in mehrere
Richtungen bewegt werden kann, ohne zu zerbrechen. Das Entnahmerohr
kann so ausgestaltet sein, dass eine steuerbare tiefenabhängige
Entnahme von Fluid aus dem Gewässer möglich ist,
gegebenenfalls ist das Entnahmerohr teleskopartig aus- und/oder
einfahrbar (teleskopierbar). Der Entnahmestutzen ist mit dem Entnahmerohr
funktional verbunden und eignet sich zur Aufnahme von Fluid. Gegebenfalls
kann der Entnahmestutzen Vorrichtungen aufweisen (z. B. ein Gitter),
die dafür sorgen, dass über den Entnahmestutzen
bevorzugt Fluid aufgenommen wird und nicht andere Gegenstände
oder Partikel, die das Entnahmerohr verstopfen könnten oder
das Mischaggregat beeinflussen könnten.
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Zusätzlich
kann die Entnahmevorrichtung, bevorzugt am Entnahmerohr in der Nähe
des Endes, an dem sich der Entnahmestutzen befindet, oder direkt
am Entnahmestutzen, ein Thermoelement aufweisen, welches die Messung
der Gewässertemperatur am Entnahmeort erlaubt. Anhand dieser
Messwerte kann die Entnahmevorrichtung entsprechend tiefenpositioniert
werden, um Fluid einer gewünschten Temperatur aus dem Gewässer
zu entnehmen. Das Trägerfluid kann über eine temperaturgesteuerte Tiefenentnahme,
entsprechend den Schichtungsverhältnissen des zu behandelnden
Wasservolumens, temperiert werden. Die Steuerung der Tiefenentnahme
erfolgt hierbei über Temperaturmessungen durch Thermoelemente,
die an den Entnahmestutzen des Entnahmerohres angebracht sind. Das
Entnahmerohr ist in der Länge flexibel ausgebildet bzw.
teleskopierbar. Entsprechend resultiert somit, in Abhängigkeit
der Temperatur der Schichtungslamellen des Wasserkörpers,
eine Steuergröße im Hinblick auf die Reichweite
des wirksubstanzbeladenen Freistrahls und dessen Ausbreitung.
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Das
Mischaggregat ist derart ausgestaltet, dass es die Herstellung einer
Suspension oder Lösung, enthaltend entnommenes Fluid und
einzubringende Wirksubstanz(en), erlaubt. Bevorzugt ist die Zusammensetzung
der resultierenden Suspension oder Lösung durch das Mischaggregat
steuerbar. Beispielsweise kann der Zufluss an Fluid, der Zufluss an
Wirk substanz oder beide Einträge gleichzeitig kontrolliert
und/oder geregelt werden. Das Mischaggregat kann beispielsweise
ein Rührwerk enthalten, welches unter Zuhilfenahme von
Fluid und Wirksubstanz eine Suspension oder Lösung erzeugt.
Der Masseanteil der Wirksubstanz richtet sich dabei nach dem qualitativ
zu erreichenden Behandlungsziel des zu behandelnden Gewässers
und beträgt bis zu 30 Masse%. Zur Erhöhung des
Wirkungsgrades (z. B. Neutralisationswirkung saurer Gewässer)
kann der Suspensions- oder Lösungsstrom (z. B. Suspension oder
Lösung aus Calziumcarbonat, Calziumhydroxid, Soda, Magnesiumcarbonat)
zusätzlich mit Gasen (z. B. CO2)
angereichert werden. Bei der Verwendung von z. B. Suspensionen oder
Lösungen aus Calziumcarbonat, Calziumhydroxid, Soda und/oder
Magnesiumcarbonat können somit, unter Verwendung von CO2, Hydrogencarbonat-Suspensionen oder -Lösungen
erzeugt werden. Die Einmischung des Gases (z. B. CO2)
und/oder Gasgemisches erfolgt mittels Druck über Düsen
(z. B. Kugeldüse, Venturidüse, Stahldüse)
in den Suspensions- oder Lösungsstrom, vor Eintrag dieses
in die Verteilerleitung. Bevorzugt ist das Mischaggregat derart
ausgestaltet, dass einem Trägerfluid zusätzlich
zu der Wirksubstanz ein Gas und/oder Gasgemisch zumischbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Verteilerleitung
auf, mit der eine Suspension oder Lösung vom Mischaggregat
zu einem Injektionssystem befördert werden kann. Dem Fachmann sind
geeignete Materialien bekannt, aus denen eine Verteilerleitung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung gefertigt werden
können. Bevorzugt ist die Verteilerleitung aus Kunststoffen,
insbesondere Polymeren, beispielsweise PE, gefertigt. Am Ende der
Verteilerleitung kann sich ein Schieber befinden, der eine Reinigung
der Verteilerleitung durch Molchen ermöglicht. Erfindungsgemäß kann
eine Verteilerleitung mindestens teilweise als Schwimmleitung unterhalb des
Gewässerspiegels ausgebildet sein und/oder unterhalb des
Einflusses von Oberflächenwellen angeordnet sein, um ein
Verdriften der Leitung zu minimieren bzw. zu verhindern. Die Aufhängung
der Verteilerleitung erfolgt an schwimmenden Pontons oder Auftriebskörpern,
welche die Verteilerleitung so im Gewässer positionieren,
dass die Verteilerleitung mit den Düsen durch eine windinduzierte
Strömung (Wellenbewegung) nicht beschädigt und
in ihrer Wirkungsweise des Verbringens der Suspension oder Lösung
nicht beeinträchtig wird.
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Bei
der Verwendung von Pontons werden diese entsprechend gegen den Grund
des Wasservolumens verankert (beispielsweise über Anker, Schwimmanker,
Senkgewichte) bzw. erfolgt eine Verankerung gegen die Uferbereiche,
um ein Verdriften der Anlagenkomponenten zu verhindern. Schwimmfähige
Pontons bzw. Auftriebskörpern, die mit Wasser oder Gewichten
zur Regulierung des Auftriebes belastet werden können,
können derart ausgebildet sein, dass diese bei Betrieb
(Einbringen der wirksubstanzbeladenen Fluidströme in den
Wasserkörper) ein Absenken der Verteilerleitung unterhalb
der Gewässeroberfläche ermöglichen und
dabei ein stabiles Schwimmen derselben gewährleisten. Diese
Absenkung von Teilen oder der gesamten Verteilerleitung unter den
Gewässerspiegel in eine Tiefe, die eine Störung
der Einleitung durch Oberflächenwellen ausschließt,
ist bevorzugt. Besonders bevorzugt ist eine Absenkung in eine Tiefe
von mindestens 10 cm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Absenkung von mindestens Teilen der Verteilerleitung
unterhalb des Gewässerspiegels in eine Tiefe von 20 cm
bis 50 cm. Das Ende der Verteilerleitung kann durch einen Anker
oder ein Senkgewicht fixiert sein.
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An
die Verteilerleitung bzw. das Verteilleitungssystem (der getauchten
Schwimmleitung) schließt sich das Injektionssystem an,
mit dem eine Suspension oder Lösung aus einer Verteilerleitung einem
Gewässer derart zugeführt werden kann, dass die
Suspension oder Lösung in das Gewässer als Freistrahl über
eine unterhalb der Gewässeroberfläche angeordnete
Düse einleitbar ist. Eine Verteilerleitung kann dabei eine
Mehrzahl von Injektionssystemen aufweisen und versorgen, wobei die
Injektionssysteme in regelmäßigen oder unregelmäßigen
Abständen angeordnet sein können, unterbrochen
von Bereichen ohne Düsen. Das Injektionssystem besteht
aus einer getauchten Schwimmleitung, die einseitig bzw. beidseitig,
bevorzugt in der 3-Uhr- und/oder 9-Uhr-Position, mit mindestens
einem Düsenelement ausgestattet ist, über welches
die Suspension oder Lösung gesteuert in das Gewässer
eingetragen wird. Dabei können verschiedenste Düsenkonstruktionen
zum Einsatz kommen, beispielsweise zylindrische Düsen,
Kugeldüse, Venturidüse, Strahldüse, Diffusor
und/oder Konfusor. Der Austritt bzw. die Düsenanordnung
erfolgt so, dass diese zum einen unterhalb des Wasserspiegels liegen
und zum anderen in einer Tiefe, die einen ausreichenden Schutz vor
windinduzierten Oberflächenwellen bietet. Das Injektionssystem
kann zur Stabilisierung unter einer schwimmenden Einheit (beispielsweise
Ponton) statisch befestigt werden, wie oben die Verteilerleitung.
Die Verteilerleitung kann so angeordnet sein, dass sie stationär
aber auch durch Verfahren gegenüber dem Gewässer
so angeordnet wird, dass eine optimale Ausnutzung der komplexen
Seedynamik gewährleistet ist. Prinzipiell ist ein statischer
Applikationspunkt für das Einmischen von Suspensionen oder
Lösungen ausreichend. Bedingt durch komplexe geometrische
Formen des Wasserkörpers kann ein Versetzen oder Verfahren
der Anlage sinnvoll sein. Bevorzugt liegen die Düsen bei
Betrieb der Anlage in einer Tiefe von mindestens 10 cm unterhalb des
Gewässerspiegels, besonders bevorzugt in einem Bereich
von 20 cm bis 50 cm unterhalb des Gewässerspiegels.
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Das
Injektionssystem kann als unterhalb des Gewässerspiegels
liegende Schwimmleitung ausgeformt sein und einseitig und/oder beidseitig
jeweils eine oder mehrere Düsen aufweisen. Dabei kann eine
oder mehrere oder jede Düse des Injektionssystems in ihrem Austrittsdurchmesser
regelbar und/oder in ihrer horizontalen und/oder vertikalen Ausstoßrichtung
verstellbar angeordnet sein. in einer besonderen Ausführungsform
des Injektionssystems sind eine, mehrere und/oder alle Düsen
als regelbare Düsen ausgebildet. Die Regelung kann eine
Absperrarmatur vorsehen, die geeignet ist, ein Molchen der Vorrichtung
zu erlauben.
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Die
Auftriebskörper der getauchten Schwimmleitung können
für die Zuleitung als „Huckepack-Leitung” und
für den Bereich der Düsen aus zwei Rohren hergestellt
werden, um mit geringem Materialeinsatz die Schwimmlage der Düsen
möglichst stabil zu gestalten. Im Bereich der Düsen
bilden die Injektionseinheit und die Schwimmer ein gleichseitiges
Dreieck. In 2 ist eine mögliche
Ausführungsform gezeigt. Dabei kann der Schwimmkörper einen,
zwei oder mehrere verschlossene ggf. zylindrische Schwimmkörper
aufweisen, die in einer bestimmten Anordnung zueinander stehen.
Die Schwimmleitung ist an dieser Schwimmkörperanordnung
derart befestigt, dass sie unter der Gewässeroberfläche
liegt, bevorzugt in einer Tiefe, die eine Störung der Einleitung
durch Oberflächenwellen ausschließt. Besonders
bevorzugt ist eine Absenkung in eine Tiefe von mindestens 10 cm.
in einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt
die Absenkung unterhalb des Gewässerspiegels in eine Tiefe
von 20 cm bis 50 cm. In einer besonderen Ausführungsform bilden
die Schwimmkörper und die Injektionseinheit bzw. die Verteilerleitung
ein Dreieck.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens
eine oder mehrere Antriebseinrichtungen gleicher oder unterschiedlicher
Bauart auf, mit der in der Vorrichtung ein Fluidstrom von der Entnahmestelle über
ein Mischaggregat hin zu einem Injektionssystem erzeugbar ist. Dabei
kann eine Antriebseinrichtung beispielsweise eine Pumpe und/oder eine
Turbine sein. Es können auch andere dem Fachmann bekannte
Antriebseinrichtungen verwendet werden. Die Antriebseinrichtung
kann an jeder beliebigen Stelle in der Vorrichtung angeordnet sein
und kann ggf. einen regelbaren Staudruck in der Vorrichtung erzeugen.
Weist die Anlage mindestens zwei Antriebseinrichtungen auf, so kann
eine davon auch in einem ausreichend großen Gefälle
bestehen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich
ein oder mehrere regelbare Ventile aufweisen, die zwischen Entnahmeeinrichtung
und Mischaggregat und/oder zwischen Mischaggregat und Verteilerleitung
und/oder zwischen Verteilerleitung und Düsen des Injektionssystems
positioniert sein.
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Die
gesteuerte Verbringung der Suspension oder Lösung kann über
die Regulierung der Antriebseinrichtung und/oder über eines
oder mehrere der regelbaren Ventile erfolgen.
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Verteilerleitung
und Düsen in Anzahl und Gestaltung können entsprechend
der zu erreichenden Wasserqualität durch die einzubringende
Suspension ausgelegt sein.
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Bevorzugt
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet,
dass die Suspension oder Lösung im Verteilerrohr mit einer
Fließgeschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s befördert
wird und eine Austrittsgeschwindigkeit an der Düse des
Injektionssystems erreicht wird von mindestens der doppelten Fließgeschwindigkeit.
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Die
Verteilung der Suspension erfolgt über Düsen als
wirksubstanzbeladener Freistrahl, unterhalb der Gewässeroberfläche.
Die Ausbreitung im Wasserkörper erfolgt durch Impuls- und
Dichteströmung und kann durch windinduzierte Strömung
unterstützt werden.
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Für
die Zuleitungssysteme/Verteilerleitung können Molchschleusen
zur Beseitigung von Ablagerungen, die durch die Wirksubstanzen entstehen können,
im Leitungssystem eingebaut sein.
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Alle
Bauteile der Vorrichtung, insbesondere alle Bauteile, die mit dem
Fluid, der Suspension oder Lösung, der Wirksubstanz und/oder
der Atmosphäre ausgesetzt sind, sind bevorzugt aus korrosionsbeständigen
(gegen chemische und/oder biogene Korrosion) Materialien gefertigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung können beispielsweise verwendet werden zur
Restaurierung von Gewässern, zur Sanierung eines Tagebaugewässers und/oder
zur Neutralisation von sauren Gewässern.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung der Ausbreitung eines Freistrahls
in ruhender, homogener Umgebung aus gleichem Fluid;
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2:
eine schematische Darstellung eines Auftriebskörpers mit
Injektionssystem;
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3:
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4:
eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5:
eine schematische Darstellung der Ausrichtung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß der Hauptwindrichtung, wobei
das Injektionssystem nur Düsen in einer Ausrichtung umfasst:
- [A] mit mehreren Schwimmkörpern,
- [B] mit einem zentralen Ponton;
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6:
eine schematische Darstellung der Ausrichtung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß der Hauptwindrichtung, wobei
das Injektionssystem Düsen in gegenüber liegenden
Ausrichtungen umfasst:
- [A] mit landseitiger
Lager- oder Speichereinheit,
- [B] mit wasserseitiger Lager- oder Speichereinheit;
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7:
eine schematische Darstellung eines Injektionssystems als getauchte
Schwimmleitung mit Düsen auf einer Seite,
- [A] perspektivisch,
- [B] als Draufsicht,
- [C] als Schnitt A-A,
- [D] als Schnitt B-B sowie
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8:
eine schematische Darstellung eines Injektionssystems als getauchte
Schwimmleitung mit Düsen auf beiden Seiten,
- [A] als Draufsicht,
- [B] als Schnitt A-A,
- [C] als Schnitt B-B.
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Ausführungsform 1
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In 3 ist
eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt.
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Die
Vorrichtung weist ein tiefenvariables Entnahmerohr 4 mit
Entnahmestutzen und Thermoelement auf. Das Entnahmerohr 4 ist über
ein regelbares Ventil mit einem Mischaggregat 2 funktional
verbunden. Das Mischaggregat 2 ist mit einer Lager- oder
Speichereinheit 1 verbunden, in der die Wirksubstanz gelagert
ist und bei Bedarf dem Mischaggregat zugeführt werden kann.
Im Mischaggregat wird unter Zuhilfenahme des Fluids und der Wirksubstanz
eine Suspension oder Lösung hergestellt. Diese Suspension
oder Lösung wird aus dem Mischaggregat in eine flexible
Verteilerleitung 5, die als getauchte Schwimmleitung mit
Auftriebskörpern ausgestaltet ist, überführt
und über ein Ventil regelbar zugeleitet. Eine Antriebseinrichtung 3 sorgt
dafür, dass in der Verteilerleitung 5 eine gewünschte
Fließgeschwindigkeit der Suspension oder Lösung
erreicht und gehalten werden kann. Die Vorrichtung gemäß 3 umfasst
zwei Antriebseinrichtungen 3, wobei eine Antriebseinrichtung
mit dem Entnahmerohr 4 und eine weitere Antriebseinrichtung
mit der Verteilerleitung 5 verbunden ist. Die Verteilerleitung 5 ist funktional
mit einem Injektionssystem 7 mit Düsen verbunden,
so dass eine Suspension oder Lösung aus der Verteilerleitung über
die Düsen des Injektionssystems dem Gewässer als
Freistrahl zuführbar ist. Das Injektionssystem 7 mit
den Düsen liegt dabei unterhalb der Gewässeroberfläche
und ist mit einem Auftriebskörper 6 verbunden.
Zusätzlich weist die Vorrichtung ein Rückspülventil 8 auf,
welches dem Reinigen von Teilen der Anlage dient. Bei der Ausführungsform
gemäß 3 ist sowohl die Lager- oder Speichereinheit 1 als
auch das Mischaggregat 2 und die Antriebseinrichtung 3 landseitig
ausgebildet.
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Ausführungsform 2
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In 4 ist
eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt.
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Die
Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet
sich von der Ausführungsform gemäß 3 im
Wesentlichen dadurch, dass nun auch die Lager- oder Speichereinheit 2 als
auch das Mischaggregat 3 und die Antriebseinrichtung 4 wasserseitig
auf einem Schwimmkörper ausgebildet sind.
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Ausführungsform 3
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In 5 ist
der Betrieb einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verdeutlicht.
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Dabei
befinden sich sowohl die Lager- oder Speichereinheit, als auch das
Mischaggregat und die Antriebseinrichtung landseitig als Einheit 1,
verbunden mit einer Verteilerleitung 2. Die Verteilerleitung 2 ist
mit Injektionssystemen 4 verbunden, die eine einseitige
Anordnung von Düsen aufweisen, deren Ausstrahlrichtung
mit Pfeilen gekennzeichnet ist. Schwimmkörper 3 sind
mit den Injektionssystemen 4 verbunden. Die Vorrichtung
wird derart betrieben, dass die Injektionssysteme 4 gegenüber
der Hauptwindrichtung so positioniert werden, dass die durch den
Freistrahl erzeugte Wasserwalze durch den Wind entlang der Hauptwindrichtung über
das Gewässer bewegt wird. In 5 [A] und
[B] sind unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Betrieb gezeigt, die sich im Wesentlichen durch die Auswahl des
Schwimmkörpers unterscheiden.
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Ausführungsform 4
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In 6 ist
der Betrieb einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verdeutlicht.
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Dabei
weist das Injektionssystem 4 Düsen in beidseitiger
Anordnung auf, wobei in [A] sowohl die Lager- oder Speichereinheit
als auch das Mischaggregat und die Antriebseinrichtung landseitig
als Einheit 1 ausgebildet sind, während in [B]
Einheit 1 wasserseitig angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DWA-Regelwerk,
Merkblatt DWA-M 606 „Grundlagen und Maßnahmen
der Seentherapie”, Dezember 2006 [0007]
- - Bollrich G. et al, „Technische Hydromechanik Band
2, Spezielle Probleme”, VEB Verlag für Bauwesen,
Berlin 1989 [0014]
- - Schlichting H., Gersten K., Grenzschicht-Theorie”,
9. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997 [0022]