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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung der Abgabe von Stoffen und Energie aus in Kanälen eingebrachten Quellen.
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Bei der Einbringung einer Stoff- und/oder Wärmequelle in einen Kanal insbesondere in ein Rohrsystem oder Leitungssystem steht mitunter die Zielstellung, die Stoffquelle und/oder die Energiequelle, vorzugsweise eine Wärmequelle in einem begrenzten Abschnitt eines Kanals einwirken und/oder abstrahlen zu lassen bzw. den dortigen Stoffzirkulationsprozess zu begrenzen.
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Unter Bedingungen freier Strömung wird ein bestimmter Betrag des Stoffes oder der Energie in Längsrichtung des Kanalsystems oder des Medienträgers abgegeben, der dann nicht mehr für eine Einbringung einer vorgegebenen Stoffmenge (Konzentration) und/oder (Wärme) Energie in einem begrenzten Bereich des Kanalsystems bzw. senkrecht zur Kanalachse zur Verfügung steht. Bei Mehrphasenfluidsystemen (flüssig-gasförmig; fest-flüssig; fest-gasförmig; fest-flüssig-gasförmig) in Kanalsystemen ist zudem eine unkontrollierte Separation einer Fluidphase (meistens der gasförmigen) möglich.
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Meistens werden in herkömmlicher Weise fluidabgrenzende, dichte Verbindungen senkrecht zur Längsachse des Kanalsystems (bei zylindrischen Querschnittsflächen, z. B. kreisrund) angewendet.
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Anwendungsbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sein:
Kanalsysteme, insbesondere Rohr- und Leitungssysteme, in denen Medienträger für Einzel- und Mehrphasenfluide vorhanden sind, in denen ein eingeschränkter Stoffaustausch und (Wärme-)Energieaustausch bereichs- und zeitweise erwünscht oder gefordert wird.
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Einsatzgebiete können sein:
- – Bohr- und Fördertechnik von Fluiden,
- – Erdöl- und Erdgasleitungsbau,
- – Kanalisation,
- – Wassergewinnung, Wasserversorgung,
- – Bergbau- und Geotechnik,
- – Chemische Industrie,
- – Lebensmittelindustrie,
- – Umwelt- und Verfahrenstechnik,
- – Medizintechnik.
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In der Bohrtechnik werden diese abdichtenden Vorrichtungen in Rohrsystemen „Packer” genannt.
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Die herkömmlichen abdichtenden Vorrichtungen haben folgende Nachteile:
Die für die abdichtenden Vorrichtungen vorgesehenen Kanalsystemabschnitte und das die Zirkulation (Stofftransport und Energietransport) begrenzende Abdichtungselement können dem Druckanstieg, Temperaturanstieg und der Zuflusserhöhung in dem begrenzten Volumenareal konstruktiv nicht widerstehen bzw. nicht entgegenwirken. Außerdem können sich in einem Mehrphasenfluidsystem einzelne Phasen separieren.
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Ein Druck-, Temperatur- und Zirkulationsaustausch in solchen herkömmlichen Vorrichtungen wird oft über aufwändige Ventilsysteme reguliert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung der Abgabe von Stoffen und Energie aus in Kanälen eingebrachten Quellen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Vorrichtung einfach und praktikabel ausgeführt ist und die Zirkulation eines Stoffes und/oder der vorgegebenen Energie in Richtung der Kanalachse zwar nicht vollständig verhindert, aber merklich begrenzt. Außerdem soll eine „begrenzte” Abdichtung eines Kanalbereichs nur unter bestimmten Bedingungen Druck p, Temperatur T, Konzentration c erwünscht sein und notwendig erscheinen und nachfolgend ein freier Durchgang erforderlich sein.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung der Abgabe von Stoffen und Energie aus in Kanälen eingebrachten Quellen
umfasst gemäß dem Patentanspruch 1
zumindest
- – ein erstes Abgrenzungselement, das quer zur Wandung des Kanals gerichtet ausgebildet ist,
- – ein zweites dem ersten Abgrenzungselement nachgesetztes Abgrenzungselement, das quer zur Wandung des Kanals gerichtet ausgebildet ist,
- – mindestens eine Quelle für Stoffemission und/oder Energieemission, wobei die Quelle zwischen dem ersten Abgrenzungselement und dem zweiten Abgrenzungselement angeordnet ist, und
- – eine Aufhängungseinrichtung,
wobei das erste Abgrenzungselement, die Quelle und das zweite Abgrenzungselement nacheinander angeordnet an der Aufhängungseinrichtung gehaltert sind und einen innerhalb des Kanals räumlich vorgegebenen Begrenzungsbereich zur Bestimmung von begrenzter Stoffabgabe und/oder Energieabgabe ausfüllen.
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Die Abgrenzungselemente können einerseits an der Wandung des Kanals abdichtend anliegen.
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Die randseitigen Abmaße der Abgrenzungselemente können andererseits derart ausgebildet sein, dass zwischen Rand der Abgrenzungselemente und der Wandung des Kanals jeweils eine zumindest teilweise randumlaufende Durchgangsöffnung vorhanden sein kann.
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Das erste Abgrenzungselement kann wahlweise eine elementrandseitige, vorzugsweise ringförmige Durchgangsöffnung zur Wandung des Kanals gerichtet aufweisen.
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Das zweite Abgrenzungselement kann wahlweise eine elementrandseitige, vorzugsweise ringförmige Durchgangsöffnung zur Wandung des Kanals gerichtet aufweisen.
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In den Abgrenzungselementen kann zumindest ein steuerbarer schließbarer Durchgang zur Erreichung von bestimmten Bedingungen oder Zustandsgrößen: Druck p, Temperatur T, Konzentration c vorhanden sein.
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Dabei kann das erste Abgrenzungselement eine erste Scheibe oder eine erste flexible schirmartige Aufklappeinrichtung oder eine erste Scheibe mit einer einfach steuerbaren Klappe oder eine erste Scheibe mit einer steuerbaren Ventilanordnung darstellen.
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Das zweite der Quelle nachgeordnete Abgrenzungselement kann eine zweite Scheibe oder eine zweite flexible schirmartige Aufklappeinrichtung oder eine zweite Scheibe mit einer einfach steuerbaren Klappe oder eine zweite Scheibe mit einer steuerbaren Ventilanordnung sein.
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Die Abgrenzungselemente können auch in unterschiedlicher Kombination eingesetzt sein, d. h. es können z. B. eine erste Scheibe mit einer elementrandseitigen Durchgangsöffnung und eine zweite flexible schirmartige Aufklappeinrichtung oder auch umgekehrt je nach Bedarf in einer Vorrichtung kombiniert sein.
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Die Durchgangsöffnungen können jeweils ein dem Kanalquerschnitt angepasster Spalt sein. Insbesondere können bei einem im Querschnitt kreisförmigen Kanal die elementrandseitigen Durchgangsöffnungen ringförmig ausgebildet sind.
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Die Aufhängungseinrichtung kann als ein Verbindungsseil oder ein Verbindungskabel oder ein Verbindungsstränge zur Verbindung des ersten Abgrenzungselements, der/n zwischengeordneten Quelle/n und des zweiten Abgrenzungselements ausgebildet sein.
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Der kanalangepasste Durchmesser d2, d3 oder die kanalangepassten Abmaße der erfindungsgemäßen Vorrichtung können im Wesentlichen ein wenig kleiner als der Durchmesser d1 des Kanals oder als die Abmaße des Kanals senkrecht zur Kanalachse gerichtet sein, wobei ein messbarer räumlich begrenzter Stofftransport und/oder messbarer begrenzter Wärmetransport/Energietransport von dem räumlich abgegrenzten Begrenzungsbereich des Kanals in benachbarte Kanäle realisiert ist.
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Der Vorrichtung kann mindestens ein die Stoffabgabe und/oder die Energieabgabe messender Sensor und/oder zumindest eine von außen bedienbare Steuerungseinheit zugeordnet sein, mit denen eine gesteuerte Zirkulation der Zustandsgrößen: Druck p, Temperatur T, Konzentration c über solche Größen wie Durchmesser/Abmaße, den Abstand des Randes eines Abgrenzungselements zur Wandung des Kanals oder eine veränderte Rauhigkeit des Kanals ermöglicht werden.
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Die Vorrichtung, angepasst an die Ausmaße d1 des zu untersuchenden Kanals, können quer zur Kanalachse gerichtet einen Querschnitt besitzen, dessen Ausmaße mehreckig oder rund ausgebildet sind.
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Zumindest eines der Abgrenzungselemente kann vor und während der Einbringung in den Kanal einen deutlich geringen Durchmesser d2 oder deutlich geringere Abmaße aufweisen als im Betriebszustand, wenn die Vorrichtung im Bereich des Kanals angeordnet ist, und kleiner als die Abmaße d1 des betreffenden Kanalquerschnitts mit d2, d3 < d1 sein, wobei der Durchmesser d2 zwischen dem Rand des Abgrenzungselements und der Wandung des Kanals verstellbar ausgebildet sein kann.
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Die Quelle kann mit einem Stoff versehen sein, der sich bei entsprechender Stoffeinwirkung, bei Druckänderung oder bei Temperaturänderung auflöst.
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Um eine „begrenzte” Abdichtung eines Kanalbereichs nur unter bestimmten Bedingungen Druck p, Temperatur T, Konzentration c zu erreichen, wobei ein freier Durchgang erforderlich ist, kann eine Vorrichtung realisiert werden, für deren Quelle ein reaktives Stoffmaterial gewählt wird, das nach Einwirkung der entsprechenden Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T, Volumen V, Geschwindigkeit w und/oder Konzentration c spröde wird oder sich physikalisch oder chemisch auflöst.
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Nicht nur die Quelle, sondern auch die Abgrenzungselemente können sich nach Vollendung der Zirkulationsmessung auflösen oder können aufgelöst werden, so dass schließlich nur noch die Restteile aus dem Kanal entfernt zu werden brauchen. Die Quelle kann dabei aus einem Gehäuse und einem darin befindlichen reaktiven Material bestehen.
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Mindestens eines der Abgrenzungselemente kann schließbare Perforierungen aufweisen.
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An einem Verbindungsseil/Verbindungskabel oder an Verbindungssträngen wird die Vorrichtung in Art des Kanalquerschnittes (Scheibe bei einer kreisrunden Querschnittsfläche z. B.) in den betreffenden Kanalabschnitt bzw. Begrenzungsbereich positioniert (z. B. herabgelassen bei vertikalen Kanalbereichen).
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Der Durchmesser/die Abmaße einer solchen Vorrichtung sind ein wenig kleiner als der Durchmesser/die Abmaße senkrecht zur Kanalachse.
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Dadurch wird ein begrenzender Stofftransport und/oder Wärme-/Energietransport von dem räumlich abgeteilten Kanalbereich in benachbarte Kanalsysteme realisiert.
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Gegebenenfalls kann auch eine gesteuerte Zirkulation über solche Größen wie Durchmesser, Abstand oder Rauhigkeit möglich sein. So kann auch ein Kanalsystem derart eingestellt werden, dass sich z. B. im Kanalbereich keine zusammenhängende Gasphase bildet.
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Die betreffenden Kanäle können z. B. als im Querschnitt runde oder auch davon abweichende Schächte, als deren zugehörigen Hohlräume sowie als Rohrsysteme und somit vom Querschnitt aus betrachtet mehreckig oder rund ausgebildet sein.
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Die Vorrichtung kann somit auch derart ausgebildet sein, dass bei Einbringung in den entsprechenden Kanalbereich die Abgrenzungselemente der Vorrichtung einen deutlich geringen Durchmesser oder geringere Abmaße aufweisen als im „Betriebzustand”, aber dann dennoch kleiner sind als die Abmaße des betreffenden Kanalquerschnitts.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt sich dabei um die Einbringung und Installation einer räumlich starren oder flexiblen Zirkulationsbegrenzungsanordnung innerhalb eines Kanalsystems, die den Stofftransport und/oder den Energietransport in einem entsprechenden Kanalbereich bzw. Kanalabschnitt weitgehend geschlossen halten und je nach Anwendungsbereich entsprechend einschränken oder erschweren.
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Je nach Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann im übertragenen Sinne von einem „Kochtopfdeckel” (Scheibe), einem „Regenschirm” – (Abgrenzungselemente und Quelle, der beim Einbringen kleiner ist als im gewünschten Kanalbereich) oder einem „Klappensystem” (Teile der Abgrenzungselemente sind partiell oder durchgehend zur Kanalachse steuerbar) gesprochen werden.
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Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, dass es bei einem geringen konstruktiven Aufwand möglich ist, in Kanalsystemen den Stofftransport und/oder Energietransport von Ein- oder Mehrphasenfluiden spürbar und entsprechend anwendungsbezogen zu verringern bzw. einzuschränken.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung der Abgabe von Stoffen und Energie aus einer in einen Kanal eingebrachten Quelle in Form eines Scheiben-Mechanismus „Kochtopfdeckel”,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Regenschirm-Mechanismus „Regenschirm” und
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3 eine schematische Darstellung eines Abgrenzungselements einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Klappen-Mechanismus „Klappensystem” und
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4 eine schematische Darstellung eines Abgrenzungselements einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Abgrenzungselement mit einer randseitigen Durchgangsöffnung versehen ist oder randseitig abgedichtet (gestrichelt) ist.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur räumlichen Begrenzung der Abgabe von Stoffen und/oder Energie aus einer in einen runden Kanal 2 eingebrachten runden Quelle 8 gezeigt, wobei die Vorrichtung 1 zumindest umfasst
- – ein erstes Abgrenzungselement 3 mit einer wahlweise ersten elementrandseitigen ringförmigen Durchgangsöffnung 4, die quer zur Wandung 5 des Kanals 2 gerichtet ausgebildet ist,
- – ein zweites dem ersten Abgrenzungselement 3 nachgesetztes Abgrenzungselement 6 mit einer wahlweise zweiten elementrandseitigen ringförmigen Durchgangsöffnung 7, die quer zur Wandung 5 des Kanals 2 gerichtet ausgebildet ist,
- – die Quelle 8 für Stoffemission und/oder Energieemission, wobei die Quelle 8 zwischen dem ersten Abgrenzungselement 3 und dem zweiten Abgrenzungselement 6 angeordnet ist, und
- – eine Aufhängungseinrichtung 9,
wobei das erste Abgrenzungselement 3, die Quelle 8 und das zweite Abgrenzungselement 6 nacheinander angeordnet an der Aufhängungseinrichtung 9 gehaltert sind und einen innerhalb des Kanals 2 räumlich vorgegebenen Begrenzungsbereich 10 zur Bestimmung von begrenzender Stoffabgabe und/oder Energieabgabe ausfüllen.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit flexiblen schirmartigen Abgrenzungselementen 32, 62 in Form eines Regenschirm-Mechanismus „Regenschirm” gezeigt.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines Abgrenzungselements 33, 63 einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in Form eines Klappen-Mechanismus „Klappensystem” gezeigt. Die Zustände C und D der Klappe 13 können dabei von außerhalb des Kanals 2 vorzugsweise durch eine Steuerungseinheit (nicht eingezeichnet) gesteuert werden.
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In 4 ist eine schematische Darstellung eines Abgrenzungselements 34, 64 einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Ventilanordnung 12, 14 gezeigt. Die Ventilanordnung 12, 14 kann ebenfalls von außerhalb des Kanals 2 gesteuert werden. Dabei zeigen die gestrichelten Linie die Variante eines zur Wandung 5 abgedichteten Abgrenzungselements 34, 64.
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Dabei kann das erste, als oberes bezeichnete Abgrenzungselement 3 in 1 eine erste Scheibe 31 oder eine erste flexible Aufklappeinrichtung 32, wie in 2 gezeigt ist, oder eine erste Scheibe 33 mit einer einfach steuerbaren Klappe 11, wie in 3 gezeigt ist, oder eine erste Scheibe 34 mit einer Ventilanordnung 12, wie in 4 gezeigt ist, darstellen.
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Das zweite der Quelle 8 nachgeordnete, als unteres bezeichnete Abgrenzungselement 6 kann eine zweite Scheibe 61, wie in 1 gezeigt ist, oder eine zweite flexible Aufklappeinrichtung 62, wie in 2 gezeigt ist, oder eine zweite Scheibe 63 mit einer einfach steuerbaren Klappe 13, wie in 3 gezeigt ist, oder eine zweite Scheibe 64 mit einer Ventilanordnung 14, wie in 4 gezeigt ist, sein.
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Die verschiedenen Abgrenzungselemente 3, 6 können den Querschnitt des Kanals 2 komplett abdichten oder je nach Bedarf die genannten elementrandseitigen Durchgangsöffnungen 4, 7 aufweisen.
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Die Durchgangsöffnungen 4, 7 können in den 1, 2, 3 und 4 bei einem im Querschnitt kreisförmigen/runden Kanal jeweils einen ringförmigen Spalt darstellen.
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Die Aufhängungseinrichtung 9 kann als ein Verbindungsseil oder ein Verbindungskabel oder ein Verbindungsstränge zur Verbindung des ersten Abgrenzungselements 3, der zwischengeordneten Quelle 8 und des zweiten Abgrenzungselements 6 ausgebildet sein.
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Der Durchmesser d2, d3 oder die querschnittlichen Abmaße der Vorrichtung 1 können im Wesentlichen ein wenig kleiner als der Durchmesser d1 oder die querschnittlichen Abmaße des Kanals 2, senkrecht zur Kanalachse 15 gerichtet, sein, wobei ein messbarer begrenzter Stofftransport und/oder messbarer begrenzter Wärmetransport/Energietransport von dem räumlich abgegrenzten Begrenzungsbereich 10 des Kanals 2 in benachbarte Kanäle realisiert ist.
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Der Vorrichtung 1 kann mindestens ein die Stoffabgabe und/oder die Energieabgabe messender Sensor (nicht eingezeichnet) und/oder mindestens eine von außen bedienbare Steuerungseinheit oder Kontrolleinheit (jeweils nicht eingezeichnet) zugeordnet sein, mit denen eine gesteuerte Zirkulation der Zustandsgrößen: Druck p, Temperatur T, Konzentration c über solche Größen wie Durchmesser/Abmaße, den Abstand des Randes der Abgrenzungselemente 3, 6 zur Wandung 5 des Kanals 2 oder die veränderte Rauhigkeit des Kanals 2 ermöglicht werden.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 1, angepasst an die Ausmaße d1 des zu untersuchenden Kanals 2, kann quer zur Kanalachse 15 gerichtet einen Querschnitt besitzen, dessen Ausmaße mehreckig oder rund ausgebildet sein können.
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Zumindest eines der Abgrenzungselemente 3, 6 kann im Vorzustand vor der Einbringung in den Kanal 2 einen deutlich geringen Durchmesser d2 oder deutlich geringere Abmaße, z. B. bei mehreckigem Querschnitt aufweisen als im Betriebszustand, wenn die Vorrichtung 1 im räumlichen Bereich 10 des Kanals 2 angeordnet ist, und kleiner als die Abmaße d1 des betreffenden Kanalquerschnitts mit d2, d3 < d1 sein, wobei der Durchmesser d2 zwischen dem Rand des Abgrenzungselements 3, 6 und der Wandung 5 des Kanals 2 verstellbar ausgebildet sein kann.
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In 2 werden die folgenden Zustände A und B der flexiblen schirmartigen Abgrenzungselemente 32, 62 (mit „Regenschirm-Mechanismus”) angegeben:
Der Zustand A der Abgrenzungselemente 32, 62 wird als eingeklappter Zustand der schirmartigen Elemente (32A, 62A) vor der Einbringung in den Kanal 2 dargestellt.
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Der Zustand B der Abgrenzungselemente 32, 62 wird als ausgeklappter, wahlweise abdichtender Zustand der schirmartigen Elemente 32, 62 (32B, 62B) dargestellt, der jeweils die Abgrenzungselemente 32, 62 im Betriebszustand (Funktion) zeigt.
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In 3 werden die folgenden Zustände C und D der Abgrenzungselemente 33 (oberes Abgrenzungselement), 63 (unteres Abgrenzungselement) angegeben:
Im Zustand C (13C) ist die eingebaute Klappe 13 des Abgrenzungselements 33, 63 geschlossen. Im Zustand D (13D) ist die eingebaute Klappe 13 des Abgrenzungselements 33, 63 geöffnet.
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Die Quelle 8 kann mit einem Stoff, z. B. mit einem reaktiven Material, versehen sein, der sich bei entsprechender Stoffeinwirkung, bei Druckänderung oder bei Temperaturänderung auflöst.
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Mindestens eines der Abgrenzungselemente 3, 6 kann schließbare Perforierungen (nicht eingezeichnet) aufweisen.
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In den Abgrenzungselementen 3, 6 kann ein steuerbarer schließbarer Durchgang zur Erreichung von bestimmten Bedingungen oder Zustandsgrößen: Druck p, Temperatur T, Konzentration c vorhanden sein.
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Innerhalb des räumlich begrenzten Bereiches 10 des Kanals 2 kann die Messung der oben genannten Zustandsgrößen zur Bestimmung der Stoff- und/oder Energieabgabe über die genannten Sensoren (nicht eingezeichnet) und die Steuerungs- und Kontrolleinheit durchgeführt werden.
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Des Weiteren können die Abgrenzungselemente 3, 6 ebenfalls einen Stoff aufweisen, der nach Einwirkung von zugeordneten, zu messenden Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T, Volumen V, Geschwindigkeit w und/oder Konzentration c spröde ist oder sich physikalisch oder chemisch auflöst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Kanal
- 3
- erstes Abgrenzungselement
- 31
- erste Scheibe
- 32
- erste flexible schirmartige Aufklappeinrichtung
- 33
- erste Scheibe mit einer Klappe
- 34
- erste Scheibe mit einer Ventilanordnung
- 4
- erste Durchgangsöffnung
- 5
- Wandung des Kanals
- 6
- zweites Abgrenzungselement
- 61
- zweite Scheibe
- 62
- zweite flexible schirmartige Aufklappeinrichtung
- 63
- zweite Scheibe mit einer Klappe
- 64
- zweite Scheibe mit einer Ventilanordnung
- 7
- zweite Durchgangsöffnung
- 8
- Quelle
- 9
- Aufhängungseinrichtung
- 10
- räumlicher Begrenzungsbereich
- 11
- Klappe
- 12
- erste Ventilanordnung
- 13
- steuerbare Klappe
- 14
- zweite Ventilanordnung
- 15
- Kanalachse
- d1
- Durchmesser/Abmaße eines Kanals
- d2
- Durchmesser/Abmaße eines Abgrenzungselements im Betriebszustand
- d3
- Durchmesser/Abmaße einer Quelle
- A
- Zustand eines Abgrenzungselements 32, 62 bei Einbringung
- B
- Zustand eines Abgrenzungselements 32, 62 in Funktion
- C
- geschlossener Zustand der Klappe 13 des Abgrenzungselements 33, 63
- D
- offener Zustand der Klappe 13 des Abgrenzungselements 33, 63
