-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasabscheidung für Wasserumlaufkanäle, vorzugsweise
für Schwimmkanäle, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
-
Wasserkanäle werden
zur Nutzung in Rehabilitationszentren und im Schwimmsport als sogenannte
Schwimmkanäle
ausgeführt.
Rehabilitanten bzw. Sportler bewegen sich dabei in einer Messstrecke
mit freiem Wasserspiegel. Zur Absicherung möglichst kleiner Antriebsleistungen
wird die Strömung mittels
beschaufelter Krümmer
umgelenkt. Außerdem
wird bei Schwimmkanälen
für den
Leistungssport zur Verkleinerung der Pumpenleistung stromab der
Wasserkanalpumpe der Strömungsquerschnitt mittels
Diffusoren vergrößert. So
kann außerdem durch
Gleichrichter, Turbulenzsiebe und eine Düse die Geschwindigkeitsverteilung über den
Querschnitt der Messstrecke mit moderaten Verlusten verbessert werden.
In den Seitenwänden
des Schwimmkanals werden in der Regel Fenster angeordnet, um den
Bewegungsablauf der Sportler sowohl von der Seite als auch von oben
beobachten und mittels Videotechnik aufzeichnen und danach mit Hilfe
weiterer technischer Mittel analysieren zu können.
-
Eine
grundsätzliche
Schwierigkeit für
den stationären
Betrieb eines derartigen Schwimmkanals und für die Bewegungsanalyse ergibt
sich durch einen unerwünschten
Lufteintrag, der durch die Sportler und durch die Fangeinrichtungen
stromab der Messstrecke verursacht wird. Der mit der Strömungsgeschwindigkeit
steigende Lufteintrag ist zunächst die
Ursache einer teilweisen Luftabscheidung und führt zur Bildung größerer Luftansammlungen
stromab der Wasserkanalpumpe. Diese Luftansammlungen werden, wenn
sie groß genug
sind, mitgerissen und führen
zu einem instabilen, intermittierenden Betrieb des Schwimmkanals.
Ab einer Wassergeschwindigkeit von etwa 1,5 m/s wird ein stark zunehmender
Teil der Luftblasen eingetragen und in der Wasserkanalpumpe zerteilt.
Das Wasser wird zunehmend undurchsichtiger und eine Bewegungsanalyse wird
unmöglich.
-
Zur
Behebung dieses Mangels sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche
Lösungen
vorbekannt.
-
Zum
einen können
durch Verlängern
des Schwimmkanals vor und nach der Messstrecke oder durch eine Bauweise,
bei der Messstrecke und Wasserkanalpumpen in einer Ebene angeordnet
sind, die Zeiten für
die natürliche
Luftabscheidung vergrößert werden.
Diese Lösung
erfordert bei gleicher Qualität der
Strömung
in der Messstrecke einen wesentlich größeren Bauaufwand und damit
wesentlich größere Investitionskosten.
-
Zum
anderen wird stromab der Wasserkanalpumpen des Strömungskanals
und falls vorhanden stromab von deren Diffusoren über Absaugöffnungen
und Absaugkammern durch zusätzliche Pumpen
ein Wasser-Luft-Gemisch abgesaugt, in ein oder mehrere Luftabscheidebehälter und
zurück
in den Strömungskanal
gefördert. Üblicherweise
saugt man 2% bis 3% (400 m3/h) des Volumenstroms
des Kanals ab und realisiert zwei Luftabscheidebecken von 10 m3. Der dazu notwendige Aufwand für den Bau
und Betrieb ist groß.
Anlagen dieser Art ermöglichen
nur einen stabile Betriebsweise und eine ausreichende Durchsichtigkeit
des Wassers bis zu einer Strömungsgeschwindigkeit
in der Messstrecke von etwa 1,7 m/s. Das bedeutet eine wesentliche
Verbesserung, reicht aber für
die besonders interessierenden Maximalgeschwindigkeiten der Sportler
von über 2,0
m/s bei Weitem nicht aus.
-
Zur
Abscheidung von Luftblasen aus einer Flüssigkeit können auch Zyklone verwendet
werden. Dabei handelt es sich um zylindrische Behälter, in
denen das Luftblasen-Flüssigkeitsgemisch
eine rotierende Bewegung ausführt,
infolge deren sich ein Druckfeld als Voraussetzung für die Bewegung
der Luftblasen zur Rotationsachse ausbildet. Derartige Zyklonabscheider
sind an sich bekannt (z. B. aus der
DE 2446622 C3 oder der
DD 260008 A1 ). Von Nachteil
ist jedoch, dass ihr Druckverlust groß und ihre Trennschärfe nicht
groß genug
sind. Besonders bei Schwimmkanälen
mit ihren großen
abzusaugenden Volumenströmen
entstehen sehr große
Verlustleistungen.
-
Abgeleitet
aus diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine
Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, die in Wasserumlaufkanäle eingetragene
Luft mit geringem Bau- und Leistungsaufwand aus dem Wasserkreislauf
auszutragen.
-
Nach
der Konzeption der Erfindung besteht die Vorrichtung zur Gasabscheidung
für Wasserumlaufkanäle, vorzugsweise
für Schwimmkanäle, aus einem
Wasserumlaufkanal, der zumindest eine Messstrecke, eine Wasserkanalpumpe
ggf. mit Diffusoren, Gleichrichtern sowie eine Absaugkammer mit Absaugöffnungen
zur Absaugung eines zu entgasenden Wasserteilstroms umfasst. Erfindungsgemäß ist in
Strömungsrichtung
zumindest ein Gleichrichter vor der Absaugkammer angeordnet, wobei
zum Zwecke der Gasabscheidung eine der Absaugkammer nachgeordnete
Wirbelkammer vorgesehen ist, welcher sich in Strömungsrichtung des entgasten
Wasserteilstroms zumindest eine Pumpe anschließt, die druckseitig mit dem
Wasserumlaufkanal gekoppelt ist.
-
Die
Wirbelkammer ist dabei bevorzugt mit einem Tauchrohr und einer Luftabscheidekammer
ausgebildet. Das Verhältnis
des Durchmessers der Wirbelkammer zum Durchmesser des Tauchrohrs
beträgt
etwa zwei, wobei die vertikale Erstreckung der Wirbelkammer dabei
möglichst
groß gewählt ist.
-
Bei
einer ersten Konstruktionsvariante der Wirbelkammer reicht die Luftabscheidekammer
bis etwa in die Höhe
des Wasserspiegels des Wasserumlaufkanals und weist einen freien
Wasserspiegel auf. Bei einer zweiten Konstruktionsvariante der Wirbelkammer
reicht die Luftabscheidekammer nicht bis in die Höhe des Wasserspiegels
des Wasserumlaufkanals und wird über
ein Entgasungsventil entlüftet.
-
Erfindungsgemäß ist/sind
eine oder mehrere Wirbelkammer(n) vorgesehen, die möglichst
nahe am Wasserumlaufkanal angeordnet sind.
-
Die
Absaugöffnungen
der Absaugkammern sind in der Praxis entweder unmittelbar stromab
der Wasserkanalpumpe bzw. deren Diffusoren oder unmittelbar stromab
der Messstrecke angeordnet. Für spezielle
Anwendungsfälle
können
jedoch auch mehrere Absaugöffnungen
vorgesehen werden, die sowohl stromab der Wasserkanalpumpe als auch stromab
der Messstrecke platziert sind.
-
Bei
der konstruktiven Bemessung und Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass die Verteilung der Fläche der Absaugöffnungen
und der Absaugkammern über
die Breite des Wasserumlaufkanals dem zu erwartenden Luftanfall angepasst
ist. Der Luftanfall wird dabei entweder über statistische Werte oder
unter Verwendung von empirischen Messergebnissen ermittelt.
-
Die
erfindungsgemäße Wirbelkammer
ist respektive innerhalb einer sogenannten Aufbereitungspassage
platziert, welche sich zwischen der Absaugkammer und einer nicht
näher beschriebenen
Ansaugkammer oder Ansaugöffnung
des Wasserumlaufkanals erstreckt. Zwischen der Absaugkammer und
einem Eintrittsstutzen der Wirbelkammer ist eine Leitung platziert,
welche die Absaugkammer und Wirbelkammer miteinander verbindet.
Diese vorzugsweise relativ kurz bemessene Leitung ist in Strömungsrichtung des
zu entgasenden Wasserteilstroms mit steigendem Gefälle ausgebildet.
Es hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn
diese Leitung zum Zwecke der Beseitigung von Luftansammlungen zumindest
auch eine Entlüftungseinrichtung
aufweist.
-
Wie
bereits erwähnt,
schließt
sich in Strömungsrichtung
des entgasten Wasserteilstroms an die Wirbelkammer zumindest eine
Pumpe an. Diese vorzugsweise elektronisch regelbare Pumpe dient der
Einstellung optimaler Volumenströme
nach der Entgasung des Wasserteilstroms in der Wirbelkammer. Der
Pumpe können
weitere Armaturen oder Einbauteile vor- oder nachgeschaltet sein. Als Armaturen
sind hierbei Filter, Absperreinrichtungen oder Messeinrichtungen
zu verstehen.
-
Die
signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem
Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- – hohe Gasabscheidungsrate
mit großer
Trennschärfe
unter Verwendung eines Strömungsgleichrichters
und einer nachgeordneten Wirbelkammer,
- – geringer
Druckverlust des aufzubereitenden Teilwasserstroms in der Wirbelkammer
durch optimale Wahl des Verhältnisses
der Durchmesser der Wirbelkammer und des Tauchrohrs zueinander und
damit geringe Betriebskosten, insbesondere geringe Pumpenantriebskosten,
- – zuverlässige Gasabscheidung
auch bei variierendem Lufteintrag mittels der Wirbelkammer und
- – geringer
konstruktiver Aufwand, auch zum Zwecke der Nachrüstung vorhandener Anlagen,
da die Wirbelkammer als separate Funktionseinheit auch in bauseitig
vorhandene Räumlichkeiten problemlos
aufgestellt werden kann.
-
Die
Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltung
der Erfindung mit den zugehörigen
Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
-
1:
Wasserumlaufkanal mit unmittelbar stromab der Wasserkanalpumpe und
der Diffusoren angeordneten Absaugöffnungen,
-
2:
Wasserumlaufkanal mit stromab der Messstrecke angeordneten Absaugöffnungen,
-
3:
Axialschnitt durch eine Wirbelkammer mit Tauchrohr und Luftabscheidekammer
sowie
-
4:
eine stirnseitige Draufsicht auf die Wirbelkammer.
-
Die 1 zeigt
einen Wasserumlaufkanal mit Messstrecke 1 und Luftabscheidung,
dargestellt für
den Fall, dass die Absaugöffnungen 2a der
Absaugkammer 3a unmittelbar stromab der Wasserkanalpumpen 16 und
deren Diffusoren des Wasserumlaufkanals angeordnet sind. Die Strömungsrichtung des
Wassers ist mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet.
-
Wegen
der größtmöglichen
Zeit für
die Einwirkung des Auftriebs auf die Luftblasen ist es vorteilhaft,
eine oder mehrere aufeinander folgende Absaugöffnungen 2a am Ende
des unteren Diffusors zu platzieren. Erfindungsgemäß wird aber
unmittelbar stromab der Wasserkanalpumpen 16 vor den Absaugöffnungen 2a ein
Gleichrichter 12a zur Glättung der Strömung angeordnet.
Der Gleichrichter 12a ist derart dimensioniert, dass die
Strömung
danach überhaupt
keine Umfangsgeschwindigkeit mehr hat. Dann wirkt auf die Luftblasen
nur die Auftriebskraft und sie bewegen sich relativ zur Hauptströmung vertikal
nach oben hin zu den Absaugöffnungen 2a. Ohne
den erfindungsgemäßen Gleichrichter 12a ist es
auch bei etwaiger Verwendung von Vor- oder Nachleitrad der Wasserkanalpumpen 16 praktisch unmöglich, die
vertikale Bewegung der Luftblasen zu sichern; die Luftblasen bewegen
sich dann auf spiralförmigen
Bahnen und es gelangen viel weniger Luftblasen zu den Absaugöffnungen 2a.
Das abgesaugte Wasser-Luftgemisch wird anschließend in den Absaugkammern 3a gesammelt,
wobei die Absaugquerschnitte entsprechend der hier ankommenden Luft
dimensioniert sind, und strömt
als zu entgasender Wasserteilstrom 17 durch eine möglichst
kurze und leicht ansteigende Leitung zum Eintrittsstutzen 7 der
Wirbelkammer 4. In der Wirbelkammer, deren Aufbau und Funktion
der Beschreibung zu den 3 und 4 zu entnehmen
sind, wird der Wasserteilstrom entgast und nachfolgend unter Verwendung
einer Pumpe 15 dem Wasserumlaufkanal erneut zugeführt.
-
In 2 ist
ein Wasserumlaufkanal mit Luftabscheidung für den Fall dargestellt, dass
die Absaugöffnungen 2b stromab
der Messstrecke 1 angeordnet sind. In der Messstrecke 1 schwimmt
beispielsweise ein Sportler und trägt dabei bis zu 70l Luft pro
Armzyklus ein. Durch die Arm- und Beinbewegungen entstehen großräumige Wirbel,
die die Luftblasen binden und die zusammen mit dem Auftrieb die
Bewegung der Luftblasen bestimmen. Hinzu kommt der Lufteintrag durch
eine im Bereich einer Stirnseite des Wasserumlaufkanals angeordneten Schwallkammer 22.
Die Absaugöffnungen 2b und
die Absaugkammer 3b sind stromab der Messstrecke 1 und
der Schwallkammer 22 im Bereich des Wasserspiegels angeordnet.
Erfindungsgemäß befindet
sich unmittelbar davor der Gleichrichter 12b, der die Wirbel
beseitigt und die Strömung
gleichrichtet bzw. glättet.
Dadurch können
die Luftblasen wieder ungehindert in vertikaler Richtung aufsteigen
und an den Absaugöffnungen 2b erfasst
werden. In der Absaugkammer 3b erreicht ein Teil der Luftblasen
die dort vorhandene freie Wasseroberfläche und ist damit abgeschieden.
Ein zweiter Teil des als Wasser-Luftgemisch vorliegenden Wasserteilstroms
wird der Wirbelkammer 4 zugeführt. Um eine ausreichende Länge der
Wirbelkammer 4 und einen passenden Wasserspiegel in der
Luftabscheidekammer 6 zu erreichen, müssen Wirbel- und Luftabscheidekammer 4, 6 über eine
nach unten geführte
Rohrleitung für
den Wasser-Luftstrom 17 angeschlossen werden. Bilden sich
in den Leitungen größere Luftansammlungen, muss
eine Entlüftungsleitung 23 zwischen
der Luftansammlung und der Luftabscheidekammer 6 vorgesehen
werden. Ein dritter Teil der meist kleinen Luftblasen wird mit der
Hauptströmung
zu den Wasserkanalpumpen 16 gefördert und kann erst danach abgeschieden
werden.
-
Die 3 illustriert
einen Axialschnitt durch eine ein Tauchrohr 5 und eine
Luftabscheidekammer 6 aufweisende Wirbelkammer 4.
Die Wirbelkammer 4 weist einen tangential zur Wirbelkammerwand
angeordneten Eintrittsstutzen 7 auf, so dass eine Drehbewegung
und ein von außen
nach innen gerichtetes Druckfeld entstehen. Infolge dieses Druckfeldes
bewegen sich die Luftblasen auf spiralförmigen Bahnen zur Achse der
Wirbelkammer 4 und sammeln sich dort. Mit Blick auf den
Druckverlust der Wirbelkammer 4 ist es vorteilhaft, das
Verhältnis
des Innendurchmessers D der Wirbelkammer 4 zum Innendurchmesser
d des Tauchrohrs 5 kleiner als zwei und die vertikale Erstreckung
der Wirbelkammer 4 möglichst
groß zu
wählen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass
der Wasserspiegel 11 in der Luftabscheidekammer 6 durch
den Wasserspiegel in der Messstrecke 1 gemäß 1 und
für dieses
Ausführungsbeispiel
die Verluste im Wasserumlaufkanal zwischen Absaugöffnung 2a und
der Messstrecke 1 sowie zwischen der Absaugöffnung 2a und
der Luftabscheidekammer 6 bestimmt werden. Der entgaste
Wasserteilstrom 18, siehe auch 4, verlässt die
Wirbelkammer 4 über den
Austrittsstutzen 8 der Wirbelkammer 4. Durch das
Tauchrohr 5 strömt
ein stark mit Luft angereicherter Teilwasserstrom in die Luftabscheidekammer 6. Im
Tauchrohr 5 ist eine spiralförmige Bewegung zu verzeichnen,
welche die Aufwärtsbewegung
der Luftblasen im Bereich der Achse stabilisiert. Außerdem ist
dort die Geschwindigkeit so klein, dass die in Form von Luftblasen
vorliegende Luft 20 über
die Austrittsöffnung 10 der
Luftabscheidekammer 6 nach oben austreten kann und der
verbleibende weitgehend luftfreie Wasserstrom 19 über den
Austrittsstutzen 9 aus der Luftabscheidekammer 6 austritt.
Da der Druckverlust des Hauptstroms 17, siehe auch 4,
vom Eintrittsstutzen 7 zum Austrittsstutzen 8 der
Wirbelkammer 4 größer ist
als der Druckverlust des Teilstroms vom Eintritt in die Wirbelkammer 4 zum
Austritt 9 aus der Luftabscheidekammer 6 kann
die Einstellung des Volumenstroms über das Tauchrohr 5 vorteilhaft
mit einem Drosselventil 14 erfolgen. Danach werden die
beiden entgasten Wasserströme
zusammengeführt
und bei der Eintrittsstelle 13 von einer Pumpe 15 zurück in den
Wasserumlaufkanal gefördert.
Die Eintrittsstelle 13 wird dabei meist so gewählt, dass
der Eintrittsstrahl in Richtung der Hauptströmung orientiert ist und den
Schmutzablagerungen entgegen wirkt.
-
In 4 ist
eine stirnseitige Draufsicht auf die Wirbelkammer 4 gezeigt.
Wie ersichtlich, sind der Eintrittsstutzen 7 für den zu
entgasenden Wasserteilstrom 17 und der Austrittsstutzen 8 für entgasten Wasserteilstrom 18 tangential
zur Wirbelkammerwand der Wirbelkammer 4 angeordnet. Das
sich in Richtung der Längsachse
der Wirbelkammer 4 gemäß 3 erstreckende
Tauchrohr ist dabei koaxial zur Wirbelkammer 4 angeordnet.
-
- 1
- Messstrecke
des Wasserumlaufkanals
- 2a
- Absaugöffnung stromab
der Wasserkanalpumpe
- 2b
- Absaugöffnung stromab
der Messstrecke
- 3a
- Absaugkammer
stromab der Wasserkanalpumpe
- 3b
- Absaugkammer
stromab der Messstrecke
- 4
- Wirbelkammer
- 5
- Tauchrohr
- 6
- Luftabscheidekammer
- 7
- Eintrittsstutzen
der Wirbelkammer
- 8
- Austrittsstutzen
der Wirbelkammer
- 9
- Austrittsstutzen
für Wasser
aus der Luftabscheidekammer
- 10
- Austrittsöffnung für Luft aus
der Luftabscheidekammer
- 11
- Wasserstand
in der Luftabscheidekammer
- 12
- Gleichrichter
- 12a
- Gleichrichter
stromab der Wasserkanalpumpe
- 12b
- Gleichrichter
stromab der Messstrecke
- 13
- Zufuhr
des entgasten Wasserteilstroms in den Wasserumlaufkanal
- 14
- Drosselventil
- 15
- Pumpe
für den
entgasten Wasserteilstrom
- 16
- Wasserkanalpumpe
- 17
- Eintritt
des zu entgasenden Wasserteilstroms in die Wirbelkammer
- 18
- Austritt
des entgasten Wasserteilstroms aus der Wirbelkammer
- 19
- Austritt
des entgasten Wasserteilstroms aus der Luftabscheidekammer
- 20
- Austritt
für Luft
aus der Luftabscheidekammer
- 21
- Strömungsrichtung
- 22
- Schwallkammer
- 23
- Entlüftungsleitung