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Beschreibung Einrichtung zum Einleiten eines Gases in eine Fldssigkeit.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Einleiten eines Gases
in eine Flüssigkeit und bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung, mit welcher
sict fiehalt an gelöstem Gas in einer Flüssigkeit vergrössern lässt.
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Die zunehmende organische Verunreinigung freier Gewässer hat zu einem
schnell wachsenden Bedarf an hochwertigem Wasser und zu einer starken Nachfrage
nach wirksamen und preiawerten Einrichtungen zur Lösung von Sauerstoff in Wasser
geführt. Gelöster Sauerstoff in Wasser ist zur Erhaltung der Pische und der Unterwasserflora
notwendig und begünstig das Wachstum biologischer Organismen, welche für die Umwandlung
organischen Abfalls in harmlose und unschädliche Substanzen verantwortlich sind.
Gegenwärtig werden deshalb das Abwasser, aber auch Teiche, Flüsse und andere Gewässer
in mehr oder weniger grossem Umfang zusätzlich mit Sauerstoff versetzt.
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Die natürliche Vbertragung von Sauerstoff aus der Luft in Lösung am
Luft-Wasser-Übergang reicht nicht länger aus, um
mit den zunehmenden
Abfallmengen In Wasser fertig zu werden.
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Wenn Einrichtungen zur künstlichen Ubertragung von Sauerstoff wirtschaftlicher
wären, könnte Wasser häufiger zusätzlich mit Sauerstoff versetzt werden.
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Der Betrag und die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung aus
der Luft in das Wasser hängen von zwei Parametern ab.
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Ein Parameter ist das Defizit an gelöstem Sauerstoff. Das Defizit
an gelöstem Sauerstoff ist als die Differenz zwischen der tatsächlich im Wasser
gelösten Sauerstoffmenge und dem Sättigungswert der Sauerstofflösung im Wasser definiert.
Der andere Parameter ist die Kontaktzeit, während welcher die Buft-Wasser-BerUhrung
aufrechterhalten wird.
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Die gegenwärtig zum Einleiten eines Gases in eine Flüssigkeit und
insbesondere in ein zu durchlüftendes Wasser, um dort den Sauerstoffgehalt zu erhöhen,
verwendeten Methoden lassen sich im allgemeinen in zwei Kategorien unterteilen.
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Bei der einen Kategorie werden Wasserfilme der Luft ausgesetzt, während
bei der anderen Kategorie Luft in Form von Blasen in Wasser eingeleitet wird.
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Beide Verfahren bezwecken, die Kontaktzeit von Luft und Wasser zu
verlängern und die Beriihrungsfläche zwischen Luft und Wasser zu vergrössern. Die
bekannten Verfahren erforn entweder einen hohen Energieaufwand, um den Sauerstoffgehalt
des Wassers signifikant zu vergrössern, oder erhöhen die Menge des übertragenen
Sauerstoffes nur unwesentlich gegenüber der auf natürliche Weise übergehenden Menge.
Ein Beispiel eines unwirksamen Verfahrens zum Einleiten von liuft in Wasser ist
in "Journal of the lmerican Waterworks Association, Juli 1958, Seiten 879 bis 883"
beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Einrichtung,
mit der sich der Zahlt an gelöstem Gas in einer Flüssigkeit wirtschaftlicher und
einfacher als mit den bekannten Einrichtungen erhöhen lässt.
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Die diese Aufgabe lösende Erfindung ist mit ihren Vorteilen und weiteren
vorteilhaften Einzelheiten im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Einrichtung, bei welcher
Gas unter Druck in eine PlAssigkeit mit positivem, hydrostatischen Druckgefälle
eingeleitet wird, Fig. 2 eine der in Fig. 1 gezeigten ähnliche Einrichtung, bei
welche jedoch ein negatives, hydrostatisches Druckgefälle vorhanden ist, Fig. 3
die gleiche Einrichtung, bei der es jedoch möglich ist, Luft durch freifallendes
Wasser beim Eintritt in die Kammer mitreissen zu lassen, so dass sich Einleiten
der Luft unter Druck erübrigt.
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Die in Fig. 1 gezeigte Kammer 10 ist in zwei Abteilungen oder Kanäle
A und 3 unterteilt, welche senkrecht in der Kammer 10 verlaufen. Die beiden Kanäle
A und B sind vollständig voneinander getrennt mit Ausnahme einer Verbindung 11 am
Boden der Kammer 10. Die Flüssigkeit wird an der Oberseite 12 des Kanales A eingeleitet
und fliesst zum Boden 13 des Kanales A und von dort zum Kanal B, so dass beide Kanäle
A und B gefüllt sind, bevor die Flüssigkeit die Kamms B an der Oberseite 14 verlässt.
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Das Gas wird in die Flüssigkeit im Kanal A eingeleitet, und zwar
mittels eines 1)iffusors 15 oder einer anderen Anordnung, welche Gas in Form von
Blasen 16 in die Flüssigkeit
eindrückt. Der Gasdifusor 15 ist in
vertikaler Richtung verschiebbar, so dass er auf jede Höhe innerhalb des Kanales
A eingestellt werden kann. Die Gasblasen 16 gelangen aus dem Diffusor 15 in die
Flüssigkeit und werden von dieser unter wachsendem Druck zum Boden 13 des Kanales
A getragen. Unter dem wachsenden Druck wird das Gas absorbiert und geht besonders
leicht in Lösung in der Flüssigkeit huber. Die Absorption setzt sich fort, wenn
die Flüssigkeit und die Blasen den Kanal B passieren und zur Oberseite 14 dieses
Kanales aufsteigen. Die Gasblasen 16 werden also einem zunehmenden Druck ausgesetzt
und haben eine längere Kontaktzeit mit der Flüssigkeit. Beide Massnahmen führen
zu einer erhöhten Lösung von Gas in der Flüssigkeit.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, bildet sich beim Durchfluss einer unter
hydrostatischen Druck stehenden Flüssigkeit durch den Apparat ein hydrostatisches
Druckgefälle 17 aus und der hydrostatische Druck erlaubt es, dass der Gasdiffusor
15 in der Nähe der Oberfläche 18 der Flüssigkeit im Kanal A angeordnet wird, da
der Grossteil der Gasblasen 16 in diesem Fall aufgrund des hydrostatischen Druckes
durch beide Kanäle transportiert wird, so dass sich eine maximale Kontaktzeit mit
der Flüssigkeit ergibt.
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Wenn kein hydrostatischer Druck vorhanden ist, z. B bei einem See
oder einem ruhigen Gewässer, ist es möglich mittels des Gasdiffusors 15 einen Druck
in der Kammer zu erzeugen, der ausreicht, die Flüssigkeit und die Gasblasen vom
Kanal A in den Kanal B zu transportieren. Unter diesen Umständen kann es notwendig
sein, den Gasdiffuser 15 etwas tiefer im Kanal A anzuordnen, damit sich ein ausreichender
Druck ergibt. Das Absenken des Diffusors 15 reduziert die Kontaktzeit zwischen Gasblasen
und Flüssigkeit in einem gewissen Ausmass.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, können auch Fälle eintreten, bei denen
ein negatives hydrostatisches Druckgefälle vorhanden ist oder genen es erforderlich
ist, dass eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser während dem Versetzen mit Luft von einem
niedrigen Niveau zu einem höheren Niveau angehoben wird. Der letztere Fall kann
z. B. bei einer Fischzuchtanlage auftreten. Es ist möglich, den Diffusor 15 im Kanal
A so anzuordnen, dass ein negatives hydrostatisches Druckgefälle 21 erzeugt und
die Flüssigkeit veranlasst wird, aufwärts zu fliessen. Dies wird dadurch erreicht,
dass die Diffusor 15 in der Nähe des Bodens 13 des Kanals A angeordnet wird. Der
von den einwanddnden Gasblasen ausgeUbte Druck breitet sich hauptsächlich in einer
Weise aus, dass die Flüssigkeit im Kanal A herabgezogen und in den Kanal B eingedrückt
wird. Auch in diesem Fall ergibt sich eine kürze Kontaktzeit zwischen den Gasblasen
und der Flüssigkeit.
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In Fig. 3 ist eine Einrichtung 30 gezeigt, mit welcher sich ohne
Verwendung von Druckluft Gewässer mit einem hydrostatischen Druckgefälle 17 mit
Luftversetzen lassen. Das Wasser 31 fällt frei von einer Ebene 32 oberhalb des Kanales
A zu diesem hinab. Das bei 33 freifallende Wasser reisst Luft 34 mit und trägt die
Luft in den Kanal A und durch die Kammer wird hindurch. Dabei die mitgerissene Luft
34 einem wachsenden Druck zum Boden 35 der Kammer hin ausgesetzt. Ausserdem wird
eine lange Kontaktzeit mit der Flüssigkeit erzielt, so dass der in der Luft enthaltene
Sauerstoff durch das Wasser absorbiert werden kann.
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Es ist ersichtlich, dass die erfindungsgemässe Einrichtung für die
verschiedensten Verwendungszwecke eingesetzt werden kann. Es wurde bereits erwähnt,
dass sich die Einrichtung zur Beseitigung von Verunreinigungen in Gewässern anwenden
lässt. Dazu gehört z. B. die Verwendung bei Kläranlagen,
an Teichen,
Seen, Flüssen und an anderen Gewässern.
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Die erfindungsgemässe Einrichtung kann im grossen Stil an Flüssen
und insbesondere an grossen Flüssen eingesetzt werden, um das an der Einrichtung
vorbeifliessende Wasser zu belüften. Die Einrichtung lässt sich auch zur Belüftung
von Wasser , das den Staudamm eines Speichersees passiert, verwenden, wobei in besonders
vorteilhafteiWeise das sauerstoffarme Wasser der unteren Schicht belüftet wird.
Auch kann die Einrichtung in die Erde eingelassen sein, wobei Wasser sie durchläuft.
Natürlich können die Flüssigkeiten in mehrfaches Umlauf durch die Einrichtung geleitet
werden, und zwar so viele Male wie es erforderlich ist, um den Gehalt an gelöstem
Gas auf den gewünschten Wert zu bringen.
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Eine andere Anwendung ist bei der Belüftung von Wasser in Fischzuchtanlagen
gegeben. Eine künstliche Belüftung des Wassers führt hier zu grösseren Fischpopulationen.
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Desweiteren gibt es viele Gelegenheiten, bei welchen die erfindungsgemässe
Einrichtung auch zu anderen Zwecken als zur Belüftung von Wasser bzw. Gewässern
verwendet werden kann. Jede Flüssigkeit, deren Gehalt an gelöstem Gas erhöht werden
soll, kann mit der erfindungsgemässen Einrichtung gehandelt werden, um auf wirtschaftlichere
Weise als bisher einen höheren Gehalt an gelöstem Gas zu erzielen. Obwohl die Erfindung
hier am Beispiel der Erhöhung des Sauerstoffgehaltes in Wasser beschrieben wurde,
gelten die gleichen Prinzipien für die Einleitung irgendeines lösbaren Gases in
eine entsprechende, nicht gesättigte Flüsßigkeit.
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Zwei Faktoren unterstützen den Sauerstoffübergang bei der erfindungsgemässen
Einrichtung. (l) Das Defizit an gegelöstem Sauerstoff wird zeitweilig erhöht. (2)
Die Zeit,
während welcher eine Buft-Wasser-BerUhrung stattfindetlkann
vergröseert werden.
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Das Defizit an gelöstem Sauerstoff wird aufgrund der Kompression
der im nach unten gerichteten Kanal A herabgedrückten Luftblasen erhöht. Dadurch
wird die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung proportional vergrössert. Das
Defizit an gelöstem Sauerstoff kann auch dadurch vergrössert werden, dass anstatt
von Luft reiner Sauerstoff in die Einrichtung eingeleitet wird.
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Die Kontaktzeit zwischen Luft und Wasser bestimmt sich nach der Strömungsgeschwindigkeitdes
Wassers durch die Kammer. Theoretisch ist es möglich, eine Blase stationär zu halten,
bis sie vollständig gelöst ist. Die Vergrösserung der Kontaktzeit in der Kammer
vergrössert die Gesamtmenge des übertragenen Sauerstoffs, wobei natürlich vorausgesetzt
ist, dass ein Sauerstoffdefizit existiert.
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Der Wirkungsgrad der Sauerstoffübertragung, ausgedrückt in Gewichtsteile
Sauerstoff pro Einheit der in die Einrichtung eingegebenen Energie, kann mehr als
5 x so gross wie bei anderen Sauerstoffübertragungssystemen sein. Die in den folgenden
Beispielen angegcbenen Daten erläutern die Wirkungsweise und demonstrieren den Wirkungsgrad
der erfindungsgemässen Einrichtung. Die Werte der Beispiele wurden unter Verwendung
der im folgenden beschrieben Geräte ermittelt.
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Beispiel I Ein 12, 2 m langes Rohr mit einem Durchmesser von 15,25
cm wurde innerhalb eines etwas grösseren Rohres von 41 cm Durchmesser angeordnet.
Wasser floss im engeren Rohr hinab und stieg durch den ringförmigen Raum zwischen
den beiden Rohren wieder auf.
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Für die Versuche wurde Wasser mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt
verwendet. Der Wasserstrom zu einem Beruhigungstank
bzw. die pro
Zeiteinheit in den Tank einfliessende Wassermenge wurde mittels eines Ventiles gesteuert.
Vom Beruhigungstank floss das Wasser durch die Kammern der Einrichtung in ein Überlaufbecken
und von dort durch eine 15,25 cm-Messleitung.
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Es wurde Druckluft mit einer konstanten Temperatur von 21,1°C benutzt.
Ein Druckregler reduzierU den Leitungsdruck und hielt ihn konstant. Ein Nadelventil
steuerte den Luftstrom durch einen Rotardurchflussmesser.
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Der Druckabfall in der Kammer wurde anhand des Niveauunterschiedes
des Wassers in zwei Druckrohren, welche jeweils an der Oberseite der beiden Kanäle
der Kammer angeschlossen waren, bestimmt. Es wurden durchsichtige Beruhigungsbehälter
aus Kuststoff verwendet, um den Wasserstand beobachten zu können.
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Beispiel II Es wurde eine 12,12 m Kammer hergestellt, in~dentzwei
Rohre mit jeweils 10 cm Durchmesser nebeneinander angeordnet und diese unten mit
einem 1800-Knie verbunden wurden. Die Rohre wurden aus Abschnitten von je 3,05m
Länge zusammengesetzt, um die Tiefe der Kammer variieren zu können. Die übrigen
Bedingugen und Einrichtungen waren die gleichen wie beim Beispiel I.
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Die folge Tafel 1 enthält die Daten und den Umfang der untersuchten
Variablen.
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Tafel 1 Bei den Messungen Dimensionen Zahlenwerte veränderte Größen
Kammertiefe m 3,05 6,1 9,15 12,2 (foot) (10) (20) (30) (40) Rohrdurchmesser cm 10,16
15,25 (inch) (4) (6) Wasserstrom l/s 7,35 - 30,4 (cf/s) (0,26)- t1,17) Wassergeschwindig-
m/s 0,76 -2,56 keit (ft/s) (2,5)-(8,4) Luftstrom Nl/min O - 184 (scfm) (0)-(6,5)
Luft/Wasserver- O 0 - 26 hältnis Eintauchtiefe des m 0,305-10,33 Diffusors (foot)
(1 -35) Diffusorausführung Nylon-Beutel, Löcher von 0,8 bzw. 6,33 mm Sauerstoffgehalt
% der die Kammer pas- 20 - 100 sierenden Luftblasen Die bei den Versuchen mit den
oben angeführten verEnderten Größen erhaltenen Meßwerte sind in den Tafeln 2 bis
7 aufgeführt. In den Tafeln sind die folgenden Abkürzungen eingeführt:
sofm
= Norm-Kubikfuß Je Minute DO = gelöste Sauerstoffmenge #DO = Änderung der gelösten
Sauerstoffmenge Druckabfall = Druckabfall im Wasser aufgrund des Lufteinblasens
Tafel
2 Kammertiefe = 12,2 m (40 ft) Wassertemperatur = 20 °C Wassergeschwin- Eintauchtiefe
Luftstrom Druckabfall Luft-/Was- DO feh- DO in #DO in digkeit in des Diffusors Nl/min
im Wasser serverhält- lend in Lösung mg/l m/s (ft/s) in m (ft) (scfm) in m (ft)
nis in % mg/l in mg/l 1,13 (3,7) 0,305 (1) 17,5 (0,62) 1,14 (3,75) 3.23 2.3 0.2
2.1 57,8 (2,04) 5,25 (16,0) 10.6 5.3 0.2 5.1 109,0 (3,85) 11,4 (37,5) 20.0 7.8 0.2
7.6 1,52 (5) 18,7 (0,66) 1,065 (3,50) 3.44 2.7 0.1 2.6 113,5 (4,00) 7,8 (23,8) 20.8
7.2 0.1 7.1 4.13 2.5 0.1 2.4 7,62 (25) 22,4 (0,79) -0,456 (-1,5) 23.5 7.0 0.1 6.9
128,0 (4,51) -4,72 (-15,5) 1,13 (3,7) 12,2 (40 U)+ 24,8 (0,874) -1,98 (-6,5) 4.55
1.6 0.2 1.4 28,3 (2,76) -7,55 (-23,0) 14.5 4.1 0.2 3.9 139,3 (4,92) 25.6 5.0 0.2
4.8 3.59 0.7 0.1 0.6 3,05 (10 U) 19,5 (0,690) -0,61 (-2,0) 11.5 1.2 0.2 1.0 62,2
(2,20) -1,52 (-5,0) 20.8 1.7 0.2 1.5 113,5 (4,00) -2,74 (-9,0) 1,74 (5,7) 0,305
(1) 17,8 (0,63) 0,305 (1,0) 2.1 1.4 0.2 1.2 58,0 (2,05) 1,83 (6,0) 6.83 3.5 0.2
3.3 108,3 (3,83) 4,57 (15,0) 12.8 5.5 0.2 5.3 + U - Diffusor ist im stromabwärts
gelegenen Kanal der Kammer gelegen
Tafel 2 (Fortsetzung) Wassergeschwin-
Eintauchtiefe Luftstrom Druckabfall Luft-Was- DO feh- DO in #DO in digkeit in des
Diffusors Nl/min im Wasser serverhält- lend in Lösung mg/l m/s (ft/s) in m (ft)
(scfm) in m (ft) nis in % mg/l in mg/l 1,74 (5,7) 1,52 (5) 18,7 (0,66) 0,305 (1,0)
2.21 1.5 0.2 1.3 60,8 (2,15) 1,825 (6,0) 7.17 3.7 0.2 3.5 112,2 (3,97) 4,11 (13,5)
13.2 5.5 0.2 5.3 2.66 2.0 0.1 1.9 7,62 (25) 22,6 (0,80) -1,065 (-3,5) 8.52 3.9 0.1
3.8 72,5 (2,56) -2,44 (-8,0) 15.4 5.0 0.1 4.9 130,8 (4,61) -3,35 (-11,0) 0.2 0.8
1.0 2,55 (8,4) 0,305 (1) 18,4 (0,65) 0,152 (0,5) 1.48 0.2 2.3 59,5 (2,10) 0,762
(2,5) 4.8 2.5 0.2 3.8 110,8 (3,91) 1,577 (5,5) 8.92 4.0 0.1 1.4 1,52 (5) 19,2 (0,68)
0,152 (0,5) 1.5 1.55 62,7 (2,21) 0,610 (2,0) 0.1 2.8 5.03 2.9 117,0 (4,13) 1,830
(6,0) 4.2 0.1 4.1 9.42 0.2 1.6 1.7 1.93 7,62 (25) 22,9 (0,81) -1,22 (-4,0) 0.1 3.1
3.2 5.92 73,6 (2,60) -0,915 (-3,0) 0.1 4.1 4.2 10.6 131,3 (4,63) -2,130 (-7,0)
Tafel
3 Kammertiefe = 6,1 m (20 ft) Wassergeschwin- Eintauchtiefe Luftstrom Druckabfall
Luft-Was- DO feh- DO in #DO in digkeit in des Diffusors Nl/min im Wasser serverhält-
lend in Lösung mg/l m/s (ft/s) in m (ft) (scfm) in m (ft) nis in % mg/l in mg/l
17,55(0.62) 1,065(3.5) 3.22 1.5 ~ 0.2 1.3 1,13 (3.7) 57.02(2.02) 3,65(12.0) 10.5
3.4 0.2 3.2 0,305 (1) 108,2(3.82) 9,10(29.9) 19.9 5.3 0.2 5.1 18,4(0.65) 0,61(2.0)
3.36 1.3 0.2 1.1 1,52 (5) 59,4(2.10) 2,14(7.0) 10.9 3.5 0.2 3.3 110,3(3.90) 5,01(16.5)
20.3 5.2 0.2 5.0 20,4(0.72) -0,457(-1.5) 3.77 1.2 0.2 1.0 4,57 (15) 65,7(2.32) -1,22(-4.0)
12.0 3.0 0.2 2.8 119,5(4.22) -1,98(-6.5) 22.0 4.5 0.2 4.3 1,74 (5.7 18,1(0.64) 0,61(2.0)
2.12 0.7 0.2 0.5 1,52 (5) 59,5(2.11) 1,68(5.5) 7.03 2.1 0.2 1.9 111,0(3.92) 3,05(10.0)
13.1 3.3 0.2 3.1 1,74 (5.7) 4,57 (15) 20,4(0.72) -0,61(2.0) 2.41 0.7 0.2 0.5 66,2(2.34)
-0,61(-2.0) 7.8 1.9 0.2 1.7 120,0(4.23) -1,22(-4.0) 14.1 2.6 0.2 2.7 2,55 (8.4)
18,7(0.66) 0,305(1.0) 1.51 0.6 0.2 0.4 1,52 (5) 60,9(2.15) 0,915(3.0) 4.91 1.6]
0.2 1.4 112,2(3.97) 2,90(9.5) 9.07 2.5 0.2 2.3
Tafel @ 3 (Fortsetzung)
Kammertiefe = 6,1 m (20 ft) Wassergeschwin- Eintauchtiefe Luftstrom Druckabfall
Luft-Was- DO feh- DO in . #DO in digkeit in des Diffusors Nl/min im Wasser serverhält-
lend in Lösung mg/l m/s (ft/s) in m (ft) (scfm) in m (ft) nis in % mg/l in mg/l
(8,4) (15) 20,6(0.73 -0,305(-1.0) 1.67 0.6 0.2 0.4 61,4(2.36 -0,457(-1.5) 5.38 1.5
~ 0.2 1.3 121,0(4.28) -0,152(-0.5) 9.78 2.3 0.2 2.1
Tafel 4 Kammertiefe
= 3,05 m (10 ft) Wassertemperatur = 20°C Wassergeschwin- Eintauchtiefe Luftstrom
Druckabfall Luft-Was- DO feh- DO in . #DO in digkeit in des Diffusors Nl/min im
Wasser serverhält- lend in Lösung mg/l m/s (ft/s) in m (ft) (scfm) in m (ft) nis
in % mg/l in mg/l 1,13 0.2 0.8 1.0 17,55 (0.62) 0,76(2.5) 3.2 ~ 0.2 2.1 2.3 0,305(1)
57,0(2.01) 2,59(8.5) 10.7 107,8(3.81) 8,07(26.5) 3.5 0.2 3.3 19.8 0.7 0.2 18,1(0.64)
0,46(1.5) 0.9 3.34 2.2 1,52 (5) 59,0(2.08) 1,83(6.0) 0.2 10.8 2.4 110,2(3.90) 5,49(18.0)
0.2 3.5 20.3 3.7 0.2 0.4 0.6 1,74 (5.7) 18,1(0.64) 0,305(1.0) 2.15 0.2 1.3 1,52
(5) 59,2(2.09) 1,37(4.5) 6.96 1.5 0.2 2.2 2.4 110.0(3.89) 2,44(8.0) 12.9 0.2 0.3
0.5 2,55 (8.4) 1,52 (5) 18,4(0.65) 0,305(1.0) 1.49 0.2 0.8 2,55 (8.4) 1,52 (5) 60(2.12)
1,065(3.5) 4.85 1.0 0.2 1.4 111.0(3.92) 1,83(6.0) 8.95 1.6
Tafel
5 Kammertiefe = 12,2 m (40 ft) Eintauchtiefe des Diffusors = 0,305 m (1 ft) Wassergeschwindigkeit
= 1,13 m/s (3.7 ft/s) Wassertemperatur = 20°C Bauart des Diffusors Luftstrom Druckabfall
Luft-Was- DO feh- DO in #DO in Nl/min im Wasser serverhält- lend in Lösung mg/l
(scfm) in m (ft) nis in % mg/l in mg/l Gelochter Diffusor mit Löchern von 0,8 mm
(1/32") 0.2 2.2 3.24 2.4 17,55(0.62) 1,37(4.5) Durchmesser 4.3 0.2 4.1 6.82 37,1(1.31)
3,50(11.5) 0.2 5.7 5.9 57,7(2.04) 5,18(17.0) 10.6 6.7 0.2 6.5 14.8 80,7(2.85) 7,45(24.5)
7.8 8.0 0.2 20.1 109,3(3.86) 14,30(47.0) Gelochter Diffusor mit Löchern von 6,33
mm 2.4 0.2 2.2 (¼") Durchmesser 3.26 17,8(0.63) 1,37(4.5) 0.2 4.1 6.85 4.3 37,3(1.32)
3,50(11.5) 0.2 5.6 5.8 57.7(2.04) 5,50(18.0) 10.7 6.8 0.2 7.0 80,3(2.84) 9,30(30.5)
14.8 0.2 8.2 109,4(3.87) 14,10(46.25) 20.2 2.1 0.2 Nylon-Diffusor 2.3 17,55(0.62)
1,52(5.0) 3.24 4.0 4.2 0.2 37,1(1.31) 3,80(12.5) 6.83 0.2 5.6 5.8 57,7(2.04) 6,40(21.0)
10.6 0.2 6.5 6.7 80,9(2.86) 9,75(32.0) 14.9 0.2 7.8 8.0 109,7(3.88) 14,35(47.2)
20.0
Tafel 6 Kammertiefe = 12,2 m (40 ft) Eintauchtiefe des Diffusors
= 0,915 m (3 ft) Wassergeschwindigkeit = 0,76 m/s (2.5 ft/s) Luft-/Wasserverhältnis
in % = 4.11 Rohrdurchmesser = 15,2 cm (6 inch) Wassertemperatur = 20°C DO - Gehalt
des einströmenden Wassers = 0,2 mg/l Tiefe der Mess- DO-Konzentration Gasnalyse;
Anteile in % Restsauerstoff in % Sättigungs-Konzenstelle in m (ft) in mg/l CO2 O2
N2 tration des Sauerstoffs in mg/l oben 0.2 0 20.6 79.4 100 7.5 3,05(10) 0 18.4
81.6 90.2 9.0 1.5 Fluss 84.8 6,1 (20) 0 17.3 82.7 10.7 2.3 nach unten 80.4 0 16.4
83.6 11.9 9,15(30) 3.1 84.2 75.5 0.4 15.4 12.9 unten 3.3 71.1 Fluss 9,15(30) 3.6
0.5 14.5 85.0 10.7 nach oben 6,1(20) 0.8 13.8 85.4 67.6 8.7 4.1 3,05(10) 13.0 87.0
63.7 4.2 0.0 6.9 oben 0.6 12.8 86.6 62.7 5.5 4.3
Tafel 7 Kammertiefe
= 12,2 m (40 ft) Eintauchtiefe des Diffusors = 0,915 m (3 ft) Wassergeschwindigkeit=
1,825 m/s (6.0 ft/s) Rohrdurchmesser = 15,2 cm (6 inch) Eingeblasenes Gas Gasstrom
in Nl/min Gas-/Wasserverhältnis DO out DO in #DO Temperatur (scfm) in % mg/l mg/l
mg/l °C Luft 26,4(0.93) 1.32 1.8 0.5 1.3 22.5 62,8(2.22) 3.26 3.6 0.3 3.3 22.5 87,5(3.09)
4.39 4.5 0.4 4.1 22.3 153,0(5.51) 7.83 6.5 0.4 6.1 22.5 193,0(6.81) 9.70 6.9 0.3
6.6 22.5 270,0(9.54) 13.6 8.0 0.4 7.6 22.4 Sauerstoff 31,7(1.12) 1.58 8.7 0.3 8.4
22.4 42,8(1.51) 2.15 11.8 0.3 11.5 22.4 92,5(3.26) 4.63 20.5 0.3 20.2 22.4 186,5(6.58)
9.35 30.8 0.3 30.5 22.4 315,0(11.1) 15.8 38.0 0.4 34.6 22.4
Äus
den in obigen Tafeln angegebenen Daten geht hervor, dass eine Vergrösserung der
Tiefe der Kammer der Einrichtung die Durchlaufzeit durch die Kammer vergrössert.
-
Vergrösserung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Kammer
verkleinert die Durchlaufzeit durch die Kammer.
-
Ein Absenken des Diffusers innerhalb des nach unten gerichteten Kanals
bedeutet Subtraktion des Abstandes zwischen dem Eintrittspunkt des Wassers und dem
Einleitungspunkt der Luft, was zu einer Verkürzung der Kontaktzeit zwischen Luft
und Flüssigkeit führt.
-
Die Berührungsfläche, über welche Sauerstoff übertragen wird, hängt
von der Grösse der im Wasser vorhandenen Blasen'ab. Je kleiner die Blasengrösse
für ein vorgegebenes Luftvolumen in einem bestimmten Wasservolumen ist, je grösser
ist die Blasenoberfläche. Die in der Tafel 5 angegebenen Resultate zeigen, dass
sich die Konzentration gelösten Sauerstoff bei einem gegebenen Prozentsatz der Luft-Wasser-Berührung
für die drei verschiedenen, -ez-r;c;ndeten D<fusertypen praktisch nicht geändert
hat. Dies deutet an, dass die Grösse der Berührungsfläche und die sich einstellende
Blasengrösse unabhängig von der ursprünglich erzeugten Blasengrösse für alle drei
Diffusoren ungefähr gleich sind. Der Grad der Turbulenz in der Kammer bestimmt die
maximal mögliche Gleichgewichtsgrösse der Blasen. Blasen, die die Gleichgewichtsgrösse
überschreiten, werden in kleinere Blasen zerschlagen, während Blasen, deren Grösse
kleiner als die Gleichgewichtsgrösse ist, sich zu grösseren Blasen verbinden.
-
Aus den aufgeführten Daten geht auch hervor, dass durch Veränderung
der Eintauchtiefe des Diffusors ein positiver, ein nicht vorhandener oder ein negativer
hydrostatischer Druckabfall in der Einrichtung kompensiert werden kann. Um zu bestimmen,
welcher Anteil des resultierenden
Druckabfalb bei den obigen Beispielen
auf das Einblasen der Luft zurückzuführen war, wurde der auf die nominale Wassergeschwindigkeit
zurückzuführende Druckabfall vor dem Einblasen der Luft vom gesamten, nach dem Einleiten
der Luft in das Wasser beobachteten Druckabfall subtrahiert. Die geringere Dichte
der Luft bewirkt, dass diese relativ zum Wasser aufsteigt und dass daher zu jedem
Zeitpunkt in dem nach unten gerichteten Kanal mehr Luftblasen als in dem nach oben
gerichteten Kanal vorhanden sind, was dazu führt, dass die Dichte der Mischung im
nach unten gerichteten Kanal kleiner als im nach oben gerichteten Kanal ist. Daher
muss die Gesamthöhe des Wassers im nach unten gerichteten Kanal ansteigen, um das
dynamische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
-
Aus den Daten geht weiter hervor, dass bei einem bestimmten Prozentsatz
der Luft-Wasser-Berührung eine Vergrösserung der Eintauchtiefe des Diffusors zur
Verringerung der Menge des in Lösung gehenden Sauerstoff führt. Das Absenken des
Diffusors verkürzt die Kontaktzeit zwischen Luft und Wasser, während das Defizit
an gelöstem Sauerstoff am Einblaspunkt der Luft vergrössert wird. Die sich aufgrund
dieser beiden gegenläufigen Faktoren insgesamt einstellende Wirkung ist jedoch,
dass der Sauerstoff mit zunehmender Eintauchtiefe des Diffusors langsamer in Lösung
übergeht. Dies zeigt an, dass die Verkürzung der Kontaktzeit eine ausgeprägtere
Wirkung auf die Menge des übertragenen Sauerstoffs hat.
-
Die folgenden drei Beispiele erläutern die Anwendung einer erfindungsgemässen
Einrichtung bei der Lösung praktischer mit der Erhöhung des Sauerstoffgehaltes von
Wasser zusammenhängender Probleme.
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Beispiel III Ein Teich zur Sauerstoffanreicherung erfordert 1 360
gk (3000 lb) gelösten Sauerstoffs pro Tag. Eine 12,12 m -(40 ft) - Belüftungskammer
kann benutzt werden. Der Wert des gelösten Sauerstoffs beim Eintritt in die Kammer
liegt bei Null und es ist geschätzt, dass der Anteil gelösten Sauerstoffs im Ausfluss
nicht höher als 3,0 mg/l zu sein braucht. Es muss eine nominelle Wassergeschwindigkeit
von 2,55 m/sec (8,4 ft/sec) wegen des grossen, für die Umwälzung benötigten Rohres
und wegen der niedrigen geforderten Anreicherung mit gelöstem Sauerstoff angewendet
werden. Der notwendige Rohrquerschnitt beträgt 2,06 m2 (22,2square feet).
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Der entsprechende Rohrdurchmesser ist 1,62 m (5,33 ft). Der Wasserstrom
beträgt 5 270 1/sec (186 cft/s). Der Luftstrom beträgt 15 380 Nl/sec (557 scft/s).
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Beispiel IV Der Ausfluss einer Abwasserkläranlage enthält kein gelösten
Sauerstoff. Der Strom während Perioden mit niedrigem Strom liegt bei ungefähr 37,85
Millionen Liter pro Tag.
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Die Auslegung für eine Geschwindigkeit von 1,125 m/sec (3,7 ft/s)
in der Belüftungskammer macht den durchgehenden Betrieb während Perioden mit höherem
Strom möglich. Der Ausfluss der Anlage fällt ungefähr 0,9 m (3 ft) tief in einen
Fluss. Der Ausfluss soll so hoch wie möglich mit gelöstem Sauerstoff angereichert
werden. Aus den in obigen Tafeln angebenen Werten ergibt sich, dass die auf Luft
zurückzuführende Druckänderung einer Höhe von 0,91 m (36 inch) entsprechen sollte.
Die Eintauchtiefe des Diffusors sollte 0,505 m (1 ft) betragen. Die Erhöhung des
Gehalts an gelösten Sauerstoff beträgt 7,6 mg/l und der Prozentsatz der Luft-Wasser-Berührung
beträgt 20. Der erforderliche Rohrquerschnitt beträgt 0,39 m2 (4,2 square ft). Der
entsprechende Rohrdurchmesser ist 0,7 m (2,3 ft). Der Luftstrom ist 5 270 Nl/sec
(186 sc£t/s).
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Beispiel V Nimmtmneim Beispiel III an, dass Leistung lediglich zur
Kompression der Luft gegen ein Druckgefälle des Wassers von 0,305 m (1 ft) aufgewendet
werden muss, würde der Wirkungsgrad der Sauerstoffübertragung 34 kg (75 lb) Sauerstoff
pro PSh betragen. Dabei liegt die Annahme zugrunde, dass der Wirkungsgrad des Kompressors
100 % beträgt und dass die auf Reibung zurückzuführenden Druckabfälle vernachlässigbar
sind.
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Ansprüche: