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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von diffus austretenden Medien, Stoffe oder Stoff-Gemische unterhalb der Wasseroberfläche oder vom Grund eines Meeres oder eines Sees und kanalisiertem Transport hin zu einem Sammel-Auffang-Behältnisses oder Bassins. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Zweck der Erfindung ist es, die unter Druck stehenden und austretenden Materialströme in einem großzügig bemessenen, vorzugsweise ringförmigen und zylindrisch ausgeführten Kanal räumlich von der Umgebung abzugrenzen, um dann über einen flexiblen Leit-/Transport-Tunnel durch den natürlichen Prozess der Flotation zur Oberfläche gefordert zu werden. Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist überall dort gegeben, wo Stoffe oder Stoffgemische zu fördern sind und hinsichtlich des großen Druckes, Förderhöhen und Volumenströme es schwierig oder mit heutiger Technik nicht möglich ist diese Aufgabe zu lösen.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen und kanalisiertem Transport von diffus austretenden Medien, Stoffe oder Stoffgemische vom Grund eines Meeres oder Sees oder technischen Einrichtungen unterhalb der Wasseroberfläche hin zu einem Sammel-Auffang-Behältnisses oder Bassins.
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Bei Unterwasserbohrungen kann es zu ungewollt austretenden Medien oder Stoffströmen kommen wenn Gas oder Flüssigkeiten unter hohem Druck stehen und Anlagenkomponenten versagen. Bedingt durch geringe Querschnitte stellen sich sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit ein. Der am Bodenbereich vorherrschende Druck ist weitaus höherer als an der Oberfläche. Ein Erfassen dieser Medien, Stoffe oder Stoffgemische kann technisch nicht durch eine verstärkte Pumpleistung von der Oberfläche erfolgen da die verdichteten Gase bei abnehmenden Druck das Volumen des zu fördernde Stoffgemisches erheblich vergrößern.
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Meist besteht das Stoffgemisch aus Öl, Gas und Wasser und verdünnt sich direkt nach dem Austritt. Bedingt durch den Geschwindigkeitsunterschied bilden sich Verwirbelungen mit dem umgebenden Wasser, welches dann ein größeres Volumen einnimmt als das ursprünglich ausströmende Medium.
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Nur durch ein Eingrenzen des Stoffstomes, in Verbindung mit einer ausreichend großen Strömung welche das Medium vom Enstehungsort gezielt abzieht, ist es möglich Stoffgemisch zu handhaben. Durch die Abnahme des Drucks beim Aufstieg entspannen sich die mitgeführten Gasblasen und werden größer und das Volumen dehnt sich aus. Die größeren Blasen steigen schneller auf und fördern dadurch das umliegende Flüssigkeitsgemisch. Dieser Effekt steigert sich wenn unter Druck gelöstes Gas ausfällt und in Blasenform vorliegt. Sollte für eine Flotation nicht ausreichend Gas im Gemisch enthalten sein, so kann auch eine Absaugung durch eine kontinuierliche Entnahme von Gemisch an der Oberfläche die gewünschte Strömung erzeugen. Für einen solchen Fall sind die Schlauchwandungen dicker auszuführen und die Anzahl der Auftriebskörper zu erhöhen. Öl-Wasser Gemische sind auch in großer Verdünnung nicht umweltverträglich und stellen selbst in geringer Konzentration eine Gefahr für die Umwelt dar.
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Stand der Technik
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Patente, in welchen das Zusammenspiel der nachfolgenden Bauteile und Prozesse aufgeführt werden sind nicht bekannt.
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Beim Fördern von Stoffströmen unterhalb einer Wasseroberfläche ist es eine Frage der Tiefe und somit des Drucks, welche Verfahren und somit Rohrleitungsquerschnitte, Wandstärken und Materialien zum Einsatz kommen.
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Bei den derzeit verwendeten Verfahren erfolgt die Erfassung der austretenden Stoffströme mit festen Rohrleitungssystemen, welche in ihren Abmaßen aus Festigkeitsgründen meist kompakt ausfallen. Der Druck baut sich je nach Entnahmemenge durch die Rohrreibungsverluste ab. Durch den Gegendruck an der Oberfläche stellen sich dann die Durchströmungsgeschwindigkeiten in den Leitungen automatisch ein.
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Nachteile der heutigen Technik
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Eine Undichtigkeit tritt nur auf wenn der Innendruck höher ist als der umgebende Druck. Um ein Austreten von Material zu verhindern oder das ausgetretene Material zu erfassen und abzutransportieren müsste die Leckage-Stelle abgedichtet oder ein Unterdruck in der Rohrleitung aufgebracht werden.
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Einen geringeren Druck innerhalb des Systems z. B. der Rohrleitung zu erzeugen setzt ein technisches Bauteil wie eine Pumpe voraus.
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Ein Absaugen über Pumpen von der Oberfläche aus hat nahezu keine Unterstützung der Förderung zur Folge, da der Pumpunterdruck beim Saugbetrieb auf die theoretischen physikalischen 0 bar-absolut begrenzt ist und somit im Grunde keine Rolle spielt. Ein Absaugen von der Oberfläche aus ist somit aus physikalischen Gründen auf nur einen Bruchteil des notwendigen Volumenstroms systembedingt begrenzt.
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Bodennah eingesetzte Pumpen haben diesen Nachteil nicht, jedoch ist der Aufwand sehr hoch und die Festigkeitsproblematik, sowie die hohen Kosten der Rohrleitung bestehen weiter. Somit müssten die Pumpen im Bodenbereich nach dem Leck angeordnet und betrieben werden um den erforderlichen Unterdruck vor Ort am Grund zu erzeugen und ein Austreten von Material zu vermeiden.
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Ein austretendes Stoffgemisch kann nur durch die Erfassung eines größeren Volumenstroms von einer weiteren Vermischung ober Verflüchtigung gehindert werden. Die Erfassung eines größeren Volumenstroms erfordert eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und ohne einen größeren Leitungsquerschnitt erhöht sich der Druckverlust.
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Die Rohrleitungen sind meist durch eine feste Wandung in Form einer Pipeline ausgeführt, was den Nachteil aufweist, dass diese Konstruktion schwer ist und bei größeren Tiefen sehr schnell an die Material-Festigkeitsgrenzen stößt. Eine Vergrößerung der Leitung zum Reduzieren des Reibungswiederstandes ist nicht schnell umzusetzen und kostenintensiv. Desweiteren müsste eine starre Rohrleitung auch den äußeren Strömungsverhältnissen vor Ort standhalten, was bei einem größeren Querschnitt auch zu höheren Scher-, und Biegekräften, sowie eine schwierige Positionierung der meist pipelineähnlichen Rohrleitungen führt.
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Ein weiterer Mangel der heutigen Technik ist, dass nur eine feste Verbindung ermöglicht den Druck zu nutzen und das zu fördernde Volumen an die Oberfläche zu transportieren. Ein Absaugen einer örtlich begrenzten Emissionsstelle über eine Leitung von der Oberfläche kann nicht erfolgen, da durch die Austrittsgeschwindigkeiten und die Druckunterschiede entstehende Vermischung umgehend ein Stoff-Wassergemisch mit einem weitaus größeren Volumen bildet.
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Große Volumenströme können nicht von dem heute vorhandenen Equipment erfasst werden und bei zu kleinen Volumenströmen können, je nach den Stoffstromzusammensetzungen, der Druckreduktion und der Umgebungstemperatur, Änderungen von Aggregatszustandsänderungen einzelner Stoffe oder Stoffgemische auftreten welche dann die Rahmenbedingungen ändern.
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Was bleibt ist die Reparatur, sodass das Leitungsstück dem notwendigen Druck standhält. Sind jedoch unterhalb der Bodenoberfläche Undichtigkeiten, so besteht nach heutiger Technik kein Verfahren, welches dann aus diffus austretenden Quellen diese Stoffströme erfassen und an die Oberfläche leiten kann.
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Das Verbesserungspotenzial der neuen Technik
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Durch einen weitaus größeren Querschnitt verringert sich der Druckverlust erheblich und erlaubt einen größeren Volumenstrom zu fördern. Es wird keine zusätzliche aufwendige Technik und Umbaumaßnahmen benötigt um einen größeren Volumenstrom zu fördern. Auch diffus austretendes Material kann erfasst werden ohne mechanisch und druckdicht angeschlossen werden zu müssen.
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Auftriebskörper erlauben es die entstehenden Gewichtskräfte zum größten Teil zu neutralisieren, um so die Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe zum Bau größerer Komponenten zu verwenden.
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Die elementaren Bauteile sind in einfachen Segmenten gefertigt damit transportabel und schnell weltweit einsetzbar. Alle weiteren notwendigen schwereren Bauteile können vor Ort hergestellt oder beschafft werden.
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Zusammengefasst liegt das Verbesserungspotenzial der Erfindung im Eingrenzen eines erhöhten Stoffgemisch-Volumenstroms mit Hilfe eines flexiblen und transportablen System, welches die notwendigen Querschnitte bereitzustellen und die Anlagenteile mit Auftriebs,- und Stabilisations-Elemente versieht um eine Überbeanspruchung der Materialien auszuschließen.
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Anwendung
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Stoffgemisch, welches aus Flüssigkeiten, Feststoffen und oder Gasbestandteile besteht vom Boden eines Meeres oder Sees an die Oberfläche zu fördern um dann dort abgesaugt und weiterverarbeitet zu werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das entstandene Emulsionsstoffgemisch direkt an der Emissionsstelle mit einem ausreichend großen Volumenstrom erfasst, abgeleitet und durch das Nutzen des natürlichen Auftriebs an die Oberflächte transportiert wird. Dazu ist es vorteilhaft wenn das System unabhängig von der bestehenden Anlage installiert werden kann.
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Hierfür sind dem Stoffgemisch ausreichend Volumen und somit Zeit zu geben sich den Parametern Druck, Temperatur und Geschwindigkeitsänderungen anzupassen und einen stabilen Zustand mit der Umgebung anzunehmen.
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Eine großzügige Dimensionierung soll die Strömungsgeschwindigkeit am Austritt so stark verlangsamen, dass die Aufstiegsströmung dominiert. Dafür soll sich das Stoffgemisch so wenig als nötig mit dem Umgebungsmedium vermischen um so die vorhandenen Dichteunterschiede zu erhalten und den natürlichen Prozess der Flotation zum Aufzusteigen zu nutzen. Durch die Abnahme des Drucks beim Aufstieg entspannen sich die Gasblasen und werden größer das das Volumen sich ausdehnt. Die größeren Blasen steigen schneller auf und fördern dadurch das umliegende Flüssigkeitsgemisch. Dieser Effekt steigert sich wenn unter Druck gelöstes Gas ausfällt und in Blasenform vorliegt. Hierfür ist es wichtig den Volumenstrom soweit als möglich einzugrenzen um die Auffangvorrichtung realisierbar und beherrschbar auszuführen.
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Durch das Einsetzen dieses zusätzlichen, unabhängigen Systems soll ein Verfahren zum Einsatz kommen, welches auch spätere Reparaturmaßnahmen, Umbauten oder Austausch von Komponenten ermöglicht. Dazu soll die Konstruktion flexibel an die Gegebenheiten anzupassen, zerlegbar, transportabel und in kurzer Zeit auch in entfernten Einsatzorten einsetzbar sein. Die Anlagenbauteile sollen, obwohl großzügig dimensioniert, keine großen Kräfte auf das gesamte System ausüben.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
- – dass die Auffangvorrichtung einen vielfachen größeren Querschnitt aufweist als die ursprüngliche Leitung,
- – dass ein Diffusor (3) die Austrittsströmung verlangsamt und beruhigt,
- – dass nach dem Diffusor ein ausreichend großer Raum (4, 5, 6, 9 und 10) zum Beruhigen und Aufsteigen der leichteren Phasen vorgesehen wird,
- – dass die Größe durch den Einsatz verschiedener Module auch an unterschiedlichen Erfordernisse angepasst werden kann,
- – dass die Dimensionierung des gesamten Systems durch den Einsatz von Auftriebskörper (6) und Stabilisationselemente (10) größer ausfallen kann,
- – dass die Belastungen einstellbar sind und die Werkstofffestigkeitswerte somit nicht überschritten werden,
- – dass die Auftriebskörper (6) und die Stabilisationselemente (10) in Form eines Schlauchrings ausgeführt sind,
- – dass die Auftriebskörper (6) und die Stabilisationselemente (10) starr ausgeführt und durch Einströmen oder Ablassen von Gas über gesteuerte Ventile Wasser verdrängen und somit Auftrieb oder Abtrieb erzeugen
- – dass die die Auftriebskörper (6) und die Stabilisationselemente (10) auch flexibel, mit Wandungen am einer reißfesten Kunststofffolie besteht können,
- – dass durch Einströmen von Gas über gesteuerte Ventile (8) der Auftrieb erhöht und die Belastung auf die Ketten Seile oder Taue (2) gesenkt wird,
- – dass durch Ablassen von Gas über gesteuerte Ventile (8) der Auftrieb vermindert und die Belastung auf die Ketten Seile oder Taue (2) erhöht wird,
- – dass hochverdichtetes Gas über eine Versorgungsleitung (20) zu den Ventilen der einzelnen Auftriebselementen geführt wird,
- – dass der hohe Gasdruck dadurch erzeugt wird indem es aus der flüssigen Phase entspannt wird (21),
- – dass das entspannte Gas mit Wärmetauscher der Umgebungstemperatur angepasst wird (7),
- – dass die Belastungen der Halteseile oder Ketten (2) über Kraftmessungen/Dehnungsmessstreifen (12) erfasst werden,
- – dass die Steuerung des Drucks über ein Programm und einen Rechner erfolgt und ein Nivellieren des gesamten Systems ermöglicht,
- – dass die Querschnitte an die physikalischen Gegebenheiten des Stoffstrom angepasst werden und so durch den natürlichen Prozess der Flotation aufrecht zu erhalten,
- – dass das an die Oberfläche aufgestiegene Medium an der Oberfläche von einer Pumpe (18) abgesaugt wird,
- – dass ein Schwimmring (13), welcher stabilisiert und beschwert durch ein Tauchringelement (14), das das Medium sammelt,
- – dass durch das Abdecken des Schwimmrings die Gasphase ebenfalls erfasst werden und getrennt behandelt bzw. weiterverarbeitet werden kann,
- – dass das abgesaugte Gemisch mit einer Zentrifuge (19) in die einzelnen Materialströme zerlegt wird,
- – dass durch den Einsatz von flexiblen Wandungen der Transportschlauch-Folie (4 und 9) das Gewicht gering gehalten wird,
- – dass durch die Abmaße und das geringe Gewicht der einzelnen Bauteile der Transport erheblich erleichtert ist,
- – dass die Haltegewichte am Boden (1) aus einzelnen Segmenten bestehen,
- – dass die Haltegewichte am Boden (1) vor Ort hergestellt werden können,
- – dass die Verbindungen der einzelnen Segmente aus Folien (4 und 9) bestehen können und somit zusammenlegbar, leicht und transportabel sind,
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Ein solches System führt zu folgenden Vorteilen:
- – ein Diffusor (3) verlangsamt und beruhigt den Stoffstrom,
- – der Diffusor (3) minimiert ein weitergehendes Vermischen mit Umgebungsmedien,
- – ein angemessen groß dimensionierter Raum (4, 5, 6, 9 und 10) ermöglicht dem leichteren Stoffgemisch das Aufsteigen durch den Dichteunterschied,
- – die beim Aufsteigen sich ausdehnende Gasblasen verstärkt den fördernden Effekt,
- – das System eines flexiblen Leit-/Transport-Tunnels erfüllt den gewünschten Zweck ohne Umbau der besehenden Anlagen,
- – durch den Einsatz von Auftriebskörper (6) und Stabilisationselemente (10) kann die Dimensionierung aller Anlagenteile größer ausfallen,
- – die Auftriebskörper (6) und Stabilisationselemente (10) können starr ausgeführt und durch Einströmen oder Ablassen von Gas über gesteuerte Ventile Wasser verdrängt und somit Auftrieb oder Auftrieb erzeugt werden,
- – die Auftriebskörper (6) und die Stabilisationselemente (10) können flexibel ausgeführt werden und durch Einströmen oder Ablassen von Gas über gesteuerte Ventile das Volumen verändert und somit Auftrieb oder Auftrieb erzeugt werden,
- – die Wandungen aus einer dünnen Kunststofffolie bestehen kann,
- – die Belastung auf Ketten, Seile oder Taue (2) wird durch die Auftriebskörper (6) und die Stabilisationselemente (10) verringert und damit eine Überlastung ausgeschlossen,
- – der oder die Auftriebskörper (6) und Stabilisationselemente (10), welche in der gleichen Tiefe positioniert sind, erhalten ihren individuelle spezifischen Druck, welcher angepasst werden kann wenn das System gehoben oder abgesenkt wird,
- – das zum Betreiben der Auftriebskörper (6) und der Stabilisationselemente (10) verwendete Gas kann vor Ort, z. B. auf einem Schiff oder Bohrinsel hergestellt werden,
- – in kurzer Zeit ist das gesamte System angeliefert, vor Ort erstellt und installiert,
- – das System ist durch den Einsatz verschieden großer, kombinierbarer Module an unterschiedliche Erfordernisse anpassbar,
- – ein optimiertes Einsetzen der Ketten, Seile oder Taue (2) durch Kraftmessungen mit zum Beispiel Dehnungsmessstreifen (12),
- – das rechnergesteuerte Anpassen der Drücke über die Daten der Kraftmessungen mit Dehnungsmessstreifen (12),
- – mit den an den angepassten Querschnitten wird der natürliche Prozess der Flotation genutzt um das Volumen des leichteren Stoffstrom zur Oberfläche zu fördern,
- – ein zusätzlicher Antrieb wird nicht benötigt,
- – das an die Oberfläche aufgestiegene Medium kann mit geeigneten, handelsüblichen Pumpen an der Oberfläche abgesaugt werden,
- – das Absaugen unterstützt die Mediums-Förderung und verhindert ein Überlaufen des Mediums über den Schwimmring (13),
- – das abgesaugte Stoff-Gemisch wird nachgeschalteten Zentrifugen (19) in die einzelnen Stoffströme zerlegt,
- – auch spätere Reparaturmaßnahmen, Umbauten oder Austausch von Komponenten sind weiterhin möglich,
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Von hohem Vorteil ist, dass das Stoff-Gemisch sich nicht zu stark mit dem Umgebungsmedium vermischt, die Dichteunterschiede ausgeprägt bleiben und durch den natürlichen Prozess der Flotation aufsteigt.
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Zudem von hohem Vorteil ist, dass die Anlagenkomponente, die zur erfindungsgemäßen Erfassung von austretenden Stoffströmen notwendig sind, ein geringes Gewichte haben, besonders wenn die Elemente des Leit-/Transport-Tunnels und der Auftriebskörper aus Kunststoff oder Kunststofffolie bestehen.
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Weiterhin ist es von hohem Vorteil dass die einzelnen Bauteile der Anlagenkomponenten flexibel einsetzbar sind und somit auf unterschiedliche Einsatzfälle abgestimmt werden können.
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Weiterhin höchst vorteilhaft ist, dass die Anlagenkomponenten zerlegbar, klein, leicht und kompakt auch für einen Transport per Flugzeug geeignet sind.
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Höchst vorteilhaft ist es zudem, dass der Energieaufwand zur erfindungsgemäßen Betreiben der Förderung klein, das System kostengünstig zu beschaffen, aufzubauen, zu betreiben und wiederverwendbar ist.
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Zeichnungs-Erklärung
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Erläutern der Komponenten mit Nummern der Komponenten aus der Zeichnung
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden beschrieben. Hierbei zeigt die Zeichnung eine Ausführung in einfacher schematischer Darstellung und wird im Folgenden einschließlich Alternativen beschrieben.
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Schwere Gewichte (1) z. B. aus Beton, platziert um den Auffangbereich des flexiblen Leit-/ Transport-Tunnel halten die Konstruktion positionsstabil über die Ketten, Seile oder Taue (2) an einem Ort. Ein konischer Kegel wird als Diffusor je nach Einsatz am Boden oder an der Konstruktion angebracht und beeinflusst die Strömung. Eine Folie (4) bildet mit formstabilen Ringelementen (5) einen unten offen zylindrischen Raum.
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Zur Stabilität ist im unteren Bereich der Folie jeweils einen oder mehrere formstabiler Ringelemente vorgesehen an welchen die Folie (4) befestigt wird. Ein Schlauchring (6) wird durch Zuführen oder Ablassen von Gas so beschickt das der gewünschte Auftrieb sich einstellt um auf diese Weise die auftretenden Kräfte beherrschbar zu halten. Das Zuführen von Gas geschieht über einen Temperaturausgleicher (7), welcher das nach der Druckabsenkung abkühlte stehende Gas auf die Umgebungstemperatur erwärmt. Die Zuführung des Gases erfolgt wie das Ablassen durch Ventile (8), welche zentral gesteuert werden.
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Durch das Verringern des Durchmessers wird ein flexibler Transporttunnel gebildet, welcher durch eine Folie (9) das aufsteigenden Gemisch aus Öl und oder Gas, sowie dem mitgerissenen Wasser zur Oberfläche leitet. Zur Formstabilität und Gewichtssteuerung sind weitere kleinere, mit Gas austarierte, Schlauchringe (10) vorgesehen um auch längere Transporttunnel und somit größere Tiefen zu beherrschen. Stahlseile (11) welche ermöglichen ein Positionieren des Transporttunnels bis an die Oberfläche und verhindern eine zu starke Verformung durch Strömungen. Dehnungsmessstreifen (12) erfassen die Zugbelastung der Stahlseile (11) und diese Messwerte werden als Steuergröße zur Auftriebsregulierung verwendet. Ein Schwimmring (13) an der Oberfläche vermeidet ein Austreten des leichteren Öls und ein Tauchringelement (14) gewährleistet durch sein Gewicht die Auflage des Schwimmrings (13), dient als stabiler Angriffspunkt zum Positionieren des Systems und verhindert unterhalb der Oberfläche ein Ausbreiten des leichteren Gemisches. Das sich an der Oberfläche ansammelnde Gemisch (15) kann dann mit einem geeigneten Absaugsystem (16) zusammen mit dem Umgebungswasser über einen flexiblen Absaugschlauch (17), mit Hilfe einer Pumpe (18), einer Zentrifuge (19) zugeführt und dort separiert werden. Das gleiche kann mit der Gasphase geschehen (16 und 17) nur das hierbei ein Verdichter und eine Gas-Wäsche-Station die Trennung übernimmt. Im Arbeitsschiff oder Plattform (23) befinden sich auch die Druckbehälter für Flüssiggas (22) und die Verdampfer (21) welche über die Gasleitung (20) das Gas zu den Schlauchringelemente (10) leiten. Die Endprodukte (Fraktionen) aus der Zentrifuge (19) werden dann in Behälter/Tanks separiert und je nach Reinigungsgrad weitergehend aufbereitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewichte/Betonklötze
- 2
- Ketten, Seile oder Taue
- 3
- Diffusor Ringelement
- 4
- Folie
- 5
- Ringanker
- 6
- Schlauchring
- 7
- Temperaturausgleicher Ventile
- 8
- Ventile
- 9
- Folie
- 10
- Schlauchringelemente
- 11
- Stahlseile
- 12
- Dehnungsmessstreifen
- 13
- Schwimmring
- 14
- Tauchringelement
- 15
- Gemisch
- 16
- Absaugsystem
- 17
- Absaugschlauch
- 18
- Pumpe
- 19
- Zentrifuge
- 20
- Gasleitung
- 21
- Verdampfer
- 22
- Arbeitsschiff oder Plattform
