DE2120875A1

DE2120875A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Durchlüften einer Flussigkeitsmasse

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Publication number: DE2120875A1
Application number: DE19712120875
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-04-29
Filing date: 1971-04-28
Publication date: 1971-11-18
Also published as: CA919825A; JPS5032747B1; US3643403A; GB1326457A

Description

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DR. W. SCHALK· DIPL.-ING. P. Wl RTH · DlPL₁-INCCDANNEtSlBERG

D R. V. Sch μ ι ed-KLo warzt κ · dr. P. Wei ν hold · dr. D.Gudel

6 FRANKFURT AM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

27. April 1971 ^HL 32 988

Richard Eugene Speece 6205 Shoal Creek Boulevard Austin, State of Texas, USA

Verfahren und Vorrichtung zum Durchlüften einer Flüssigkeitsmasse

Die Erfindung bezieht sich auf das Durchlüften von Flüssigkeitsmassen, etwa zur Verbesserung der Wasserqualität, wenn dieses durch Verarmung oder Erschöpfung an gelöstem Sauerstoff verdorben ist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Durchlüftung von Wassermassen durch Anheben der Konzentration an gelöstem Sauerstoff.

Wassermassen,wie beispielsweise für die Erzeugung elektrischer Energie verwendete Reservoire, sind, insbesondere jahreszeitlich bedingten Schichtungen unterworfen, deren Folgen äußerst schädlich sind. So verdirbt beispielsweise das Hypolimnion, nämlich die kältere Wasserschicht am Boden infolge ihrer Verarmung an gelöstem Sauerstoff. Dieses Phänomen kann schwerwiegende Folgen für die Fischerei an stromabwärts gelegenen Stellen haben. Der Sauerstoffmangel im Hypolimnion ist eine Folge von Mikrobentätigkeit und wird durch mangelnde Belüftung

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verstärkt. Um die Wasserqualität in solch geschichteten Reservoiren unter Kontrolle zu halten, muß Sauerstoff zugeführt werden, um eine genügend belüftete Umgebung zu erhalten,

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren zum Lösen von Gasen in und/oder Befreien von Gasen aus einer Flüssigkeitsmasse, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß in die Flüssigkeitsmasse eine abwärtsgerichtete Strömung mit abnehmender Geschwindigkeit gerichtet wird; daß kontinuierlich Gasblasen in die abwärtsgerichtete Strömung eingeführt ψ werden; und daß die eingeführten Gasblasen während ihrer Abwärtsbewegung mit der Strömung auf einen Strömungsbereich mit zunehmender Dimension beschränkt werden.

Außerdem schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Lösen von Gas, welches innerhalb einer Flüssigkeitsmasse gemäß dem vorerwähnten Verfahren mit dieser in Berührung gebracht wird und welche sich dadurch kennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erzeugen einer abwärtsgerichteten Strömung innerhalb der Flüssigkeitsmasse vorgesehen ist, sowie eine seitliche Begrenzung für die abwärtsgerichtete Strömung, innerhalb . deren diese Strömung sich zwischen einem Einlaß und einem Auslaß der Begrenzung mit abnehmender Geschwindigkeit von einem Maximum am Einlaß zu einem Minimum am Auslaß bewegt, und weiter eine Abgabeeinrichtung, über welche Gasblasen in die abwärtsgerichtete Strömung innerhalb der Begrenzung einbringbar sind.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Kontrollieren der Wasserqualität bekannt, darunter auch die Entschichtung und die Belüftung des Hypolimnions. Letztere, also die Belüftung des Hypolimnions, wird häufig der Entschichtung vorgezogen, weil dadurch die Kaltwasserreserve nicht zerstört und eine Rückführung von Nährstoffen unnötig wird. Auch kommt man

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mit einem kleineren Volumen an Wasser aus. Die vorliegende Erfindung kann zur Belüftung des Hypolimnions unter Verwendung von handelsüblichem Sauerstoff oder von Luft verwendet werden. So wird gemäß der Erfindung eine abwärtsgerichtete Wasserströmung in eine Kammer bzw. einen Trichter mit sich erweiterndem Querschnitt eingeleitet, so daß die Flüssigkeitsströmung vom oberen Einlaß zum unteren Auslaß hin abnimmt, ßasblasen werden in diese nach unten gerichtete Strömung von einem Verteiler in der Nähe, des oberen Einlasses injiziert. An dieser Stelle ist die Abwärtsgeschwindigkeit der Strömung größer als die Auftriebsgeschwindigkeit der Gasblasen, wodurch ein unerwünschtes Austreten von Gasblasen am oberen Ende bzw. am Einlaß verhindert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit am unteren Ende ist dagegen geringer als diejenige, die erforderlich wäre, um ein Aufsteigen der Gasblasen zu verhindern. Auf diese Weise werden die Gasblasen innerhalb der Kammer bzw. des Trichters für langer dauernde Berührung mit dem Wasser sozusagen gefangengehalten., wodurch eine wirksame Gasabsorption erreicht wird. Falls die Gasblasen aus handelsüblichem Sauerstoff bestehen, wird dieser von der Flüssigkeit bzw. dem Wasser absorbiert, während darin gelöster Stickstoff im Falle natürlichen Wassers aus diesem beseitigt wird. Weiter ergibt sich infolge der kontinuierlichen Zufuhr von Gasblasen, daß diese schließlich vom unteren Auslaß der Kammer verlagert werden, weil allmählich hier ein "Gedränge" von Gasblasen entsteht. Der Trichter bzw. die Kammer ist in Übereinstimmung mit dem Maß der Gaszufuhr und der Abwärtsgeschwindigkeit der Flüssigkeit dimensioniert, so daß die Zusammensetzung der Gasblasen, wenn sie schließlich am unteren Auslaß verlagert werden, nicht mehr von besonderer Bedeutung ist.

Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung sind besonders nützlich für Wassermassen geringerer Tiefe, und zwar wegen dem Phänomen des Einfangens von Gasblasen. Weiter werden, weil gleichzeitig mit der Absorption des Sauerstoffs

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Stickstoff aus denr Wasser entfernt wird, giftige Konzentrationen von gelöstem Stickstoff vermindert, während gleichzeitig die Qualität des Wassers im allgemeinen und insbesondere die Flußbelüftung für die Fischerei verbessert wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben, und zwar zeigen:

Fig. 1 im Schnitt eine vereinfachte Seitenansicht einer typischen Anbringung einer Vorrichtung nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittansicht für eine andere typische Anbringungsart..

In der Zeichnung ist, und zwar zunächst mit Bezug auf Fig. 1, eine Vorrichtung nach der Erfindung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, in ein Reservoir bzw. eine Wassermasse 12 versenkt gezeigt, die gemäß der Erfindung behandelt werden soll. Die Vorrichtung enthält ein fest montiertes Einlaßrohr 14, das vertikal im Wasser angebracht und mit dem oberen Einlaß eines nach unten sich erweiternden Trichters 16 verbunden ist, der eine Strömungskammer 18 mit nach unten zunehmendem Strömungsquerschnitt einschließt.

Eine erzwungene, abwärtsgerichtete Wasserströmung durch die Kammer 18 wird durch die Drehung eines Flügelrads 20 hervorgerufen, das am oberen Einlaß 22 der Strömungskammer 18 angebracht ist. Das Flügelrad 20 kann durch jeden geeigneten Antrieb betätigt werden, wie beispielsweise ein Motor 24, der oberhalb der Wasserfläche gelagert und mit dem Flügelrad durch eine Welle 26 verbunden ist, die sich durch den Einlaß 14 nach unten erstreckt, 'infolgedessen wird eine abwärtsgerichtete Wasserströmung vom Einlaß 22 der Strömungskammer 18 zum breiteren Auslaß 28 erzeugt, deren Strömungsgeschwindigkeit von einem Maximalwert am Einlaß 22 zu einem Minimalwert

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am Auslaß 28 abnimmt.

Eine geeignete Quelle 30 von Luft oder handelsüblichem Sauerstoff unter statischem Druck, der größer als der des Wassers ist, befindet sich an einer geeigneten Stelle für die Zufuhr durch eine Leitung 32 zu einem Verteiler 34 für .Gasblasen, der innerhalb der Strömungskammer 18 in geringem Abstand unterhalb des Flügelrads 20 am Einlaß 22 angebracht ist. Auf diese Weise werden kontinuierlich Gasblasen in die abwärtsgerichtete Strömung des durch die Strömungskammer 18 geleiteten Wassers injiziert. Die Auftriebsgeschwindigkeit der aus dem Verteiler 34 austretenden Gasblasen ist geringer als die Abwärtsgeschwindigkeit des Wassers, so das ein Austreten der Gasblasen aus dem Einlaß 22 der Vorrichtung nicht vorkommen kann. Die Gasblasen werden also abwärts transportiert. Wenn sich die Gasblasen jedoch dem Auslaß 28 der Strömungskammer nähern, wird die abnehmende Geschwindigkeit des nach unten strömenden Wassers geringer als die Auftriebsgeschwindigkeit der Gasblasen. Infolgedessen finden sich die Gasblasen innerhalb der Strömungskammer 18 für eine verlängerte Berührungszeit mit dem Wasser eingefangen. Die Gasblasen werden jedoch schließlich vom Auslaß 28 der Strömungskammer verlagert und dem Einfluß der abwärtsgeriehteten Strömung entzogen infolge der kontinuierlich fortgesetzten Injektion von Gasblasen, die zu einer Häufung bzw. einem Gedränge solcher Blasen im Bereich des Auslasses 38 führt.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Anbringung bzw. Ausführung einer Vorrichtung nach der Erfindung, die hier als Ganzes mit 10' bezeichnet ist und der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 entspricht, jedoch mit der Abweichung, daß die erzwungene abwärtsgerichtete Strömung durch den Trichter 16' unter der Wirkung von hydrostatischem Druck einer Wassersäule erfolgt. Die Vorrichtung' 10» einschließlich des Trichters 16· ist entsprechend der Geschwindigkeit des Wassers dimensioniert, die sich aus dem hydrostatischen Überdruck im Einlaßrohr 14'

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ergibt, welche die Abwärtsbewegung der von dem Verteiler 34' abgegebenen Gasblasen bewirkt, dem Luft oder handelsüblicher Sauerstoff von einer Quelle 30' über eine Leitung 32' zugeführt wird. Wo genügend hydrostatischer Überdruck zur Verfügung steht, reißt das kaskadenartig in das Einlaßrohr 14' eintretende Wasser einen ausreichenden Anteil an Luftblasen mit, der es unnötig macht, eine gesonderte Quelle 30' für die Zufuhr von Gasblasen vorzusehen. Im übrigen werden ebenso wie bei der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 die Gasblasen durch "Gedränge" vom unteren Auslaß 28' des Trichters -16^f verlagert.

Bekanntlich ist der Wirkungsgrad bei der Absorption von Gasblasen durch eine Flüssigkeit eine Funktion der Kontaktzeit. Mit den beschriebenen Vorrichtungen wird daher wegen der verlängerten Kontaktzeit ein guter Wirkungsgrad erreicht. Die Zusammensetzung bzw. der Inhalt der Gasblasen ändert sich kontinuierlich von 100 % Sauerstoff beim anfänglichen injizieren durch den Verteiler zu geringeren Sauerstoff- und höheren Stickstoffanteilen, welch letztere dem Wasser entzogen werden. Die Strömungskammer 18 kann daher so ausgelegt bzw. dimensioniert werden, daß eine Absorption von 90 % des anfänglichen Gewichts an Sauerstoff innerhalb einer Gasblase erreicht wird, was gemäß Experiment mit einer ί Gaszusammensetzung übereinstimmt, die etwa 21 % Sauerstoff und 79 % Stickstoff, den Anteilen in Luft entsprechend, aufweist. Daher sind ,die am unteren Auslaß der Vorrichtung verlagerten bzw. abgegebenen Gasblasen nicht mehr von irgendeinem besonderen Wert. Es kann jedoch auch durch geeignete Dimensionierung der Vorrichtung erreicht werden, daß beim Injizieren von handelsüblichem Sauerstoff eine Abgabe aus der Vorrichtung erreicht wird, welche die Säuerst off satt igung, bezogen auf Luft, übersteigt.

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Eine Vorrichtung der beschriebenen Art kann entweder von einer Stelle zur anderen verlagert werden oder aber es kann eine Vielzahl solcher Vorrichtungen^gitterartig verteilt angeordnet werden, um die Gesamtheit einer Wassermasse zu belüften. Die Vorrichtung kann auch in der Nähe des Wasserzulaufs zu einem See vorgesehen werden, um die Wasserqualität

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im/oder am Ausgang des Sees zu verbessern. Außer der Belüftung des Hypolimnions von geschichteten Reservoiren ist die Erfindung auch zur Strombelüftung verwendbar sowie zur Sauerstoffversorgung von Wassermassen mit starker Mikröbentätigkeit, zuB. aktivierte Schlammbehandlung von Abwasser und Hefegärung.

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Claims

27. April 1971 Richard Eugene Speece

Da/is HL 32. 988

Pa te η t a n s ρ r ü c h e : ^;

Verfahren zum Lösen von Gasen in und/oder Befreien von Gasen aus einer Flüssigkeitsmasse, dadurch gekennzeichnet, daß in die Flüssigkeitsmasse eine abwärtsgerichtete Strömung mit abnehmender Geschwindigkeit gerichtet wird; daß kontinuierlich Gasblasen in die abwärtsgerichtete Strömung eingeführt werden ι und daß. die eingeführten Gasblasen während ihrer Abwärtsbewegung, mit der Strömung auf einen Strömungsbereich mit zunehmender Dimension beschränkt, werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen in' die abwärtsgerichtete Strömung an einer Stelle eingeführt werden, deren Geschwindigkeit größer als die auf die Gasblasen wirkenden Auftriebsgeschwindigkeiten ist, wodurch die Blasen innerhalb der Strömung gehalten, jedoch durch kontinuierliche weitere Zufuhr aus der Strömung verlagert bzw. verdrängt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen in die abwärtsgerichtete Strömung durch unter hydrostatischem Druck kaskadenartig zugeführte Flüssigkeit eingeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen Sauerstoff enthalten, der während ihrer Abwärtsbewegung innerhalb der Strömung fortschreitend durch Stickstoff ersetzt wird, in demjenigen Maße, wie der Sauerstoff von der Flüssigkeit absorbiert und der Stickstoff dieser entnommen wird.

- Anspruch 5 10984 7/1660

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f. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet_? daß die (fasblasen aus der abrwärtsgerichteten Strömung verlagert werden, wenn ihr Sauerstoffgehalt etwa 21 ff> "beträgt.

■f. YorriGhtung zum Lösen von Gas durch Berührung innerhalb einer Flüssigkeitsmasse nach dem Verfahren gemäß einem der Aj^prüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (20) zum Erzeugen einer abwärtsgerichteten Strömung innerhalb der Flüssigkeitsmasse (12) vorgesehen ist, sowie eine seitliche Begrenzung (16) für die abwärtsgerichtete Strömung, innerhalb deren diese Strömung sich zwischen einem Einlaß (22) und einem Auslaß (28) der Begrenzung mit abnehmender Geschwindigkeit von einem Maximum am Einlaß zu einem Minimum am Auslaß bewegt, und weiter eine Abgabeeinrichtung (34), über welche Gasblasen in die abwärtsgerichtete Strömung innerhalb der Begrenzung (16) einbringbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung eine Strömungskammer (18) mit vom Einlaß (22) zum Auslaß (28) nach unten zunehmendem StrömungsguersGhnitt bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalgeschwindigkeit der abwärtsgerichteten Strömung größer, die Minimalgeschwindigkeit am Auslaß (28) dagegen kleiner als die aufwärtsgerichtete Auftriebsgeschwindigkeit der Gasblasen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung für die abwärtsgerichtete Strömung einen nach unten sich erweiternden Trichter (16) aufweist, welcher die Gasblasen zwischen

1U9847/166ü^Anspruch

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dem Einlaß (2§) und den? Auslaß (2§) innerhalb dieser Begrenzung half_? yon deren Auslaß sie Jedoch durch kontinuierlich nachfolgend zugeführte Blasen aus dem Wirkung§b§reich dgr? §^wärtsger$chtgten Strömung hergus

§ -atewärtsgeriehteten Strömung ein Flügelrad (20) aufweist.

11. Yorrichtung nach einem der Ansprüche 6 ^ 10, dadurch

»"' ''. """ - " "" ■-■""--'■· · - ■-' -.—·-·■"-■--gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der §tewä|5^§|erichteten Strömung eine ifasseF|j|§Ile yog hjherem Niveau als die Flüssigkeitsmasse enthält.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinr-ichtung für (Jas/blasen eine Quelle (|0) für Gas unter Überdruck und einen mit dieser Quelle verbundenen Verteiler (34) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen yon Gasblasen Mittel zum kaskadenartigen, Luftblasen mitreißenden, unter hydrostatischem überdruck stehendem Wasser, in die Begrenzung (16') aufweist.

Patentanwalt:

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