DE2256627A1

DE2256627A1 - Verfahren zum mischen von schlammartigen medien mit wasser und zum transport solcher mischungen und vorrichtung zur durchfuehrung solcher verfahren

Info

Publication number: DE2256627A1
Application number: DE2256627A
Authority: DE
Inventors: Michel Dr Poteur
Original assignee: Held & Francke Bau AG
Current assignee: Held & Francke Bau AG
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1972-11-17
Publication date: 1974-05-22
Also published as: FR2206970A1; FR2206970B1

Description

Held & Francke Bauaktiengesellschaft, 8 München 90,

Aschauer Straße 21

Verfahren zum Mischen von schlämmartigen Medien mit Wasser und zum- Transport solcher Mischungen und Vorrichtung zur Durchführung solcher Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von. schlammartigen Medien mit Wasser und zum Transport-solcher Mischungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren. Derartige Probleme entstehen insbesondere bei Bauvorhaben, bei denen lagernder Schlamm zum Zwecke des besseren Transportes mit Wasser gemischt werden muß. Das gleiche Problem entsteht auch bei Seen, insbesondere Stauseen, bei denen das schlammartige Medium mit fließendem Wasser gemischt wird, insbesondere in Ländern mit heftigen Regenfällen entsteht in Seen eine erhebliche Verschlammung durch bindige Bestandteile, die das Wasservolumen vermindert und dadurch die weitere Verwendung des Wassers beeinträchtigt. Es ist bekannt, den Schlamm in Seen, Stauseen und Wasserläufen· durch Saugbagger zu entfernen. Bei der Anwendung derartiger Saugbagger entsteht jedoch beim Lösen und Befördern des Schlammes ein so hoher Wasser- und Kraftverbrauch, daß eine erhebliche Verringerung der vorhandenen Wasservorräte eintritt, obwohl die weggebaggerten-Schlammmengen deswegen verhältnismäßig gering bleiben.

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Bei manchen Medien, hauptsächlich Bingham'sehen -Flüssigkeiten verursacht der Anlaßwert, d. h. die notwendige Scherspannung, um den Anfang eines FließVorganges zu veranlassen, hohe Reibungsverluste bei Fließvorgängen in langen Verrohrungen. Als solche Medien kann man z. B· nicht oder wenig konsolidierte bindige Böden, wie u. a· den Schlamm bezeichnen, der sich einige Tage bis einige Wochen in Stauseen aufgehalten hat.

Zur Überwindung dieser Reibungsverluste zum Zweck der Beförderung wird üblicherweise das Medium, z. B. Ton, mit Wasser gemischt. Bei den herkömmlichen, rotierenden Mischgeräten, sogenannten Cutters, 1st das erforderliche Drehmoment so hoch in bezug auf die zur Verfügung stehende . Leistung am Mischermotor, daß der Mischprozeß unvollständig bleibt, so daß die EinzelstUoke des zerkleinerten Mediums ihren Anlaßwert während des Beförderungsprozesses - trotz der Verdünnung bei der zuerst stattfindenden Misohung - mindestens teilweise beibehalten.

Um die Reibungsverluste auf einen Wert herabzusetzen, der dem gegebenen Fließgefälle angepaßt ist, ist ein bestimmtes hohes Verdünnungsverhältnis - meistens 1 Teil Schlamm für 6 bis 10 Teile Wasser bei der Entschlammung von Stauseen bei einem derartigen Mischvorgang nötig und damit ein großer Wasseraufwand·

Nun ist der Druckverlustbeiwert einer Newton¹sehen Flüssigkeit während des FließVorganges in einer Verrohrung gegebener Wandrauhigkeit praktisch unabhängig von der Reynold¹sehen Zahl bei rein turbulenter Strömung, d. h., daß. bei sonst gleichen Bedingungen die Erhöhung der Viskosität (durch Herabsetzung des Verdünnungsmittelanteils) bis zur Grenze der rein turbulenten Strömung auf die Fließeigenschaften nicht wirkt.

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Erfahrungsgemäß liegt der minimale Verdünnungsbeiwert (d, h. das Verhältnis der Menge an Verdünnungsmittel zur Menge an zu verdünnendem Mittel) einer Newton¹sehen Flüssigkeit bei turbulenter Strömung erheblich niedriger als der, der bei einer nicht Newton¹sehen - u. a« Bingham^fsehen Flüssigkeit (d. h,, wo die Mischung nicht so weit erfolgte, daß alle Einzelteilchen mit verbleibendem Anlaßwert verdünnt wurden) aus dem gleichen Medium nötig ist, um bei gleichen Leitungs- · und Fließbedingungen - insbesondere Druckverlusten - die gleichen Mengen von ursprünglichem Medium zu befördern - und zwar bei üblichen Schlammböden für 1 Teil Schlamm 2 bis 4 Teile Wasser (minimaler Verdünnungsbeiwert für Newton¹sehe Flüssigkeit) anstatt £ bis 10.

Die vorangegangenen Ausführungen ergeben auch eine bestimmte Problemstellung bei der Ausbildung der.Saugbagger und insbesondere der Cutter· Für die herkömmlichen Bagger ist nämlich die Kohäsion des Schlammes so hoch, daß der Cutter immer an der Schlammoberkante bzw. unter der Schlammoberkante bleiben muß, ohne in den Schlamm selbst eindringen zu können. Das ergibt Schwierigkeiten sowohl für die Bewegung des Cutters als auch für die Dosierung des Zugabewassers, weil bei den bekannten Saugbaggern der Cutter über Gleitlager um eine waagerechte Achse rotiert. . ' ■

Die nötige Cutterleistung zur Verrührung des Schlammes ist bekannterweise dem Produkt gleich: Drehzahl des Cutters mal vom Schlamm gefordertes Drehmoment. Dieses Drehmoment ist der Kohäsion proportional. Also durch Herabsetzung des Drehmoments mit Hilfe von Schwingung kann bei gleichbleibender Leistung die Drehzahl entsprechend erhöht, werden. Man kann dann anstatt der üblichen Werte von 15 bis 40 U/min Drehzahlen des Cutters von 100 bis 200 U/min bei gleichbleibender Leistung ohne weiteres erreichen. Dadurch kann sich jedes

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Schlammteilchen einige Umdrehungen anstatt eines Bruchteiles einer Umdrehung des Cutters im Cutterbereich, wo die Mischung hauptsächlich stattfindet, aufhalten. Erfahrungsgemäß wird dadurch eine erheblich bessere Homogenisierung von Schlamm und Wasser erreicht, die bei einer Verdünnung von 2 bis 4 (jedenfalls bei erheblich geringerer Verdünnung als ohne Schwingung bei den herkömmlichen Drehzahlen) eine ziemlich reine Newton'sehe Flüssigkeit verursacht.

Die Erfindung soll die aufgezeigten Probleme beseitigen und geht von der Aufgabe aus, den Schlamm so homogen mit dem Wasser zu mischen, daß das Medium nach möglichst geringfügiger Verdünnung eine Newton'sehe Flüssigkeit wird, Es wurde nämlich aufgefunden, daß sich eine solche Flüssigkeit etwa so leicht befördern läßt, wie eine unvollkommene Mischung von Schlamm und Wasser bei viel stärkerer Verdünnung (rund 8-fache Verdünnung z. B. für übliche Stauseeschlämme).

Demgemäß besteht das Verfahren nach der Erfindung darin, daß das Wasser mit dem Schlamm verrührt und gleichzeitig Schwingungen ausgesetzt wird. Durch die Anwendung eines solchen Verfahrens wird die Kohäsion des Schlammes auf einen Wert herabgesetzt, der vernachlässigt werden kann. Weist der zu befördernde Schlamm thixotrope Eigenschaften auf, so ist es nicht erforderlich, den Schlamm zu verdünnen. In diesem Fall wird das Verfahren so angewendet, daß der Anlaßwert des Schlammes durch eine Vorrichtung zerstört wird, wodurch es gelingt, den hierbei verflüssigten Schlamm mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu befördern. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Schlammedium nicht verdünnt. Es wird vielmehr erzwungenen Schwingungen ausgesetzt, die beispielsweise mit sogenannten Schalungsrüttlern erzeugt werden können. Ist

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in einem solchen Pall das zu befördernde Medium eine Bingham'sohe Flüssigkeit, so wird der Anlaßwert vernichtet und die augenblickliche Geschwindigkeit der Teilchen des zu befördernden Mediums, die in Kontakt mit der Leitung sind, ist Null, was bei sonst gleichen Bedingungen den Pließvorgang besonders erleichtern kann.

Besteht das Medium aus zwei Phasen, von denen eine gasförmig ist, so erhält die Mischung bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung eine relative Viskosität, die weit unter der · relativen Viskosität der Mischung ohne Schwingung der Leitung liegt. Auch in diesem Fall wird der Fließvorgang erleichtert.

Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Cutter so ausgebildet ist, daß ihm Schwingungen aufgezwungen werden können«, Das kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß der Cutter an der Antriebswelle mit Unwuchten versehen ist, die so bemessen sind^ daß der Anlaßwert des Schlammes ausreichend herabgesetzt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform dieser Vorrichtung kann das Antriebsgetriebe so ausgebildet sein, daß das VerMltnis von der Unwuchten- zur Cutterdrehzahl veränderlich bzw» einstellbar ist. Schließlich können die Cutter eine Form eriialten, die die Reibungen zwischen der Mischung und dem.Saugrohr mit dem Cutter möglichst niedrig hält. Durch die Schwingungen werden die Reibungen stark herabgesetzt, so daß bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zwischen dem rotierenden Cutter und dem nichtrotierenden Saugrohr eine nichtrotierende aber schwingende Anlage auf der Unwuchtwelle angeordnet ist, deren Aufgabe esist, die Schlammstücke möglichst schnell und vollkommen zu zerstören, um ihre Mischung mit dem Wasser zu erleichtern. Diese nichtrotierende, aber schwingende Anlage kann auch zur besseren Zerstörung der Schlammstücke exzentrisch in bezug auf die Cutter-Achse an-.geordnet sein. •

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Der wesentlichste Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß zur Verdünnung des Mediums eine relativ geringe Wassermenge erforderlich ist. Dieser Vorteil wirkt sich bei der Beförderung von Sohlamm oder beim Ausbaggern von Sohlamm und dessen Abtransport sehr kostensparend aus. In Ländern die unter Wassermangel leiden, wird durch die Erfindung erst die Voraussetzung geschaffen, um den Abtransport von Schlamm mit verhältnismäßig geringen Wassermengen zu ermöglichen. Dieser Vorteil der Erfindung beruht darauf, daß durch die Zerstörung der Kohäsion des Schlammes an der Kontaktfläche zwisohen dem schwingenden Cutter und dem Schlamm der Cutter tiefer in den Schlamm eindringen kann. Das bietet die Möglichkeit, die Wasserzugabe Über InjektionsdUsen genau zu dosieren, so daß der Cutter immer senkrecht im Schlamm ■ bleiben kann, auch wenn er sich während der Schlammgewinnung langsam vorwärtsbewegt. Seine Länge kann überdies durch teleskopische Rohre verändert werden.

In der Zeichnung wird die Erfindung, ausgehend vom Stand der Technik näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Auszug aus dem bekannten Moody'sehen Nomogramm dargestellt;

Fig. 2 erläutert anhand einer graphischen Darstellung die Kohäsion eines natürlichen schwingenden Schlammes als Funktion des Wassergehaltes für verschiedene Schwlngungsbeschleunlgungenj

Fig. J5 zeigt in schematischer Darstellung die Ausbildung eines Cutters zur Ausführung des. Verfahrens;

Fig. 4 zeigt das in Fig. 3 dargestellte Gerät in der Arbeitsposition;

Fig.5a zeigt das Wegbaggern einer Schlammschicht mittels einer Einrichtung, die nach der Erfindung aufgebaut ist;

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Fig. 5b .

und 5c zeigen zwei Vorschläge für die Ausbildung des Kopfes der Saugleitungj

Fig. 5d zeigt ein Saugrohr, das für die seitliche Bewegung im Schlamm ausgebildet ist.

In Fig. 1 ist ein Auszug aus dem Moödy'sehen Nomogramm dargestellt. Als Ordinate wird der Reibungsverlustbeiwert \ , mit logarithmischer Skala aufgetragen, Tt = i / ■g" ττ: (mit: i = Fließgefälle, D = Durchmesser des Rohres, in dem der Fließvorgang stattfindet, ν = Fließgeschwindigkeit, g = Erdbeschleunigung)j als Abszisse wird die Reynold¹sehe Zahl mit logarithmischer Skala aufgetragen, Re = v»D/ ^ (mitt V = dynmaschier Viskosität des fließenden Mediums). Die Kurve λ = f(Re) wurde für drei Rauhigkeitsgrade des Rohres (als Parameter: Verhältnis der Rohrrauhigkeit, £ zum -durchmesser D) dargestellt, was also bestätigt, daß, sofern die Strömung turbulent bleibt. Ti praktisch unabhängig von Re ist. Aus der Darstellung läßt sich ablesen, in welchem Umfange der Wasserverbrauch bei Anwendung der Erfindung sinkt» Während bei üblichen Schlammböden für 1 Teil Schlamm 7 bis 10 Teile Wasser nötig waren, sinkt jetzt der Bedarf auf 2 bis 4 Teile Wasser.

Die auf Fig. 2 dargestellten Ergebnisse sind aus Messungen an natürlichen Schlämmen verschiedener Wassergehalte erhalten worden. Diese Schlämme wurden erzwungenen Schwingungen verschiedener Beschleunigungen ausgesetzt« Daraus sieht man* die beträchtliche Herabsetzung der Kohäsion bei einem natürlichen Wassergehalt von z«, B. 80 %_a

Fig. j5 zeigt einen Cutter 1, der am Ende des Saugrohres 10 angeordnet ist. Der Antrieb ist so ausgebildet, daß dem Cutter 1 Schwingungen aufgezwungen werden können,, Die An-

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triebswelle 2 des Cutters 1 innerhalb des Saugrohres 10
wird durch einen Ölmotor 4 angetrieben. Die Welle 2 ist
in Lagern 11 geführt. Zur Erzeugung von erzwungenen Schwingungen ist die Welle 2 mit Unwuchten 3 versehen.. Diese Unwuchten sind zweckmäßig so dimensioniert, daß die Wegamplitude des Cutters 1, rund mr/M (wobei M die gesamte schwingende Masse, rn die Masse der Unwuchten und r ihre mittlere Exzentrität
sind), so hoch ist, daß die Beschleunigungsamplitude des
Cutters gemäß Pig. 2 ausreichend ist, um den Anlaßwert
des wegzubaggernden ochlammes bei gegebenem Drehmoment des Motors 4 genug herabzusetzen, so daß bei der minimalen Drehzahl des Cutters, die eine homogene ungefähr Newton'sche
Schlamm-Wasser-Mischung erlaubt, durch den Cutter geförderte Leistung ihm vom Motor zur Verfügung gestellt werden kann.

Die Halterung 6 des Mantels 5# in dem die Welle 2 gelagert ist, ist durch Schwingmetall 7 auf dem Saugrohr 10 festgebunden. Das Einspritzen des Wassers als Verdünnungsmittel
erfolgt durch Düsen 8, die am Umfang des Saugrohres 10 vorgesehen sind.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Cutters, zwischen dem rotierenden Cutter 1 und dem nichtrotierenden Saugrohr 10 eine nichtrotierende, aber schwin-gende gitterähnliche Einrichtung 9 eingebaut ist, deren Aufgabe darin besteht, Schlammstüeke möglichst schnell und vollkommen zu
zerstören, um ihre Mischung mit dem Wasser zu erleichtern. Im übrigen entsprechen aber die anderen Teile dieser Vorrichtung den Teilen der Vorrichtung die in Fig. 3 dargestellt sind.

Fig. 5a zeigt eine Einrichtung zur Anwendung der Erfindung in schematischer Darstellung. Die Schlammoberkante ist mit 21 bezeichnet. Das Saugrohr 23 dringt in den Schlamm 21

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senkrecht ein. Das Pumpen- und Druckluftaggregat 26 schwimmt auf der Oberfläche des Wassers 22. Luft wird über die Düsen 2h· injiziert. Die Saugleitung 23 und die Abflußleitung 27 werden mit Hilfe der Rüttelaggregate 25 und 28 Schwingungen ausgesetzt. Eine Ausbildung des Kopfes der Saugleltung in zwei Ausführungsformen ist in Fig. 5h und 5o dargestellt.

■ Gemäß der Darstellung in Fig. 5d kann derjenige Teil des Saugrohres, der sich im Schlamm seitlich vorwärtsbewegen soll, eine Form erhalten, die den Bewegungswiderstand ge-' ring hält. Diese letztgenannte Variante bietet also eine Kombination mit Lufthebeverfahren dar, wobei der entscheidende Einfluß der Schwingung darin besteht, die Reibungen und die Druckverluste herabzusetzen.

Selbstverständlich wird keines der hier geschilderten Verfahren dadurch bedingt, daß das Pumpenaggregat sich an der Wasseroberkante befindet. Alle diese Verfahren können auch z. B. mit Unterwasserpumpen verwendet werden, ohne daß ihre hier geschilderten Eigenschaften dadurch beeinträchtigt werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung kann auch ein Gitter aufweisen, das exzentrisch gelagert ist. Hierdurch kann die Zerkleinerungswirkung verstärkt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.

2.

Verfahren zur Mischung von schlammartigen Medien mit Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser mit dem Schlamm verrührt und gleichzeitig erzwungenen Schwingungen ausgesetzt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassermengen und die Schwingungsintensität so aufeinander abgestimmt werden, daß das nach dem Mischvorgang entstehende Medium eine ziemlich reine Newton¹sehe Flüssigkeit möglichst niedrigen Wassergehaltes ist.

Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 zum Zweck der Entschlammung von Schlammlinsen, von Seen, Stauseen und Wasserläufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Cutter (1) eines Saugbaggers an der Antriebswelle (2) mit Unwuchten (3) versehen ist, die so bemessen sind, daß der Anlaßwert des wegzubaggernden Schlammes durch die so entstehende Schwingung ausreichend herabgesetzt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Cutters und die Frequenz der Antriebswelle (2) unabhängig voneinander einstellbar sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrotierendes aber schwingendes Gitter (9) zwischen dem Saugrohr (10) und dem Cutter (1) angeordnet ist^ der gegebenenfalls auch exzentrisch gelagert sein kann.

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. ■ ·. ■ ■ -- ■ 2256:62?

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen J5* 4 und 5>.- dadurch gekennzeichnet, daß der Cutter (1) Injektionsdüsen (2) für Wasserzugabe aufweist.

7· Vorrichtung nach den Ansprüchen j5, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß: die Richtung der Achse der Saugleitung (1O) senkrecht gehalten ist und ihre Länge durch teleskopischen Ausbau 4es Saugrohres stufenlos variabel ist.

8. Verfahren zur Ausbaggerung von besonders thixotropen schlammartigen Böden, dadurch gekennzeichnet,, daß der Boden durch erzwungene Schwingung der Saugleitung des Baggers verflüssigt wird.

9. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis zur Beförderung von Bingham'sehen Flüssigkeiten mit oder ohne zusätzliche gasförmige Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die Beförderungsleitungen mit Hilfe von Rüttlern erzwungenen Schwingungen ausgesetzt werden.

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