DE2401327A1 - Sandfreie wasserfoerderung aus bohrbrunnen durch steuerung des saugstromes ohne filtration - Google Patents

Description

Leonhard Fink
6 Frankfurt/M
Karbenerstr. 10

Sandfreie Wasserförderung aus Bohrbrunnen durch Steuerung des Saugstromes ohne Filtration

In fast allen aussereuropäischen Ländern der Erde ist die Wassergewinnung aus Bohrbrunnen teils durch das allgemein angewandte Bohrverfahren, teils aber durch die fast ausnahmslos anzutreffenden wasserführenden Feinsandschichten von grosser Mächtigkeit sehr unwirtschaftlich, denn eine unermesslich grosse Anzahl alter und auch neuerstellter Bohrungen ergeben sandführendes Wasser. Die Sandführung des Wassers aber bringt Probleme mit sich, deren Ausmass bereits die Stillegung grosser landwirtschaftlicher Anbauflächen bedingte. In vielen tropischen Ländern, wie Afrika, Süd- und Mittelamerika fällt oft mehrere Jahre lang kein Regen und folglich muss die Bewässerung aus dem Grundwasser erfolgen, wenn keine natürlichen Flussläufe dazu zur Verfugung stehen. Bohrbrunnen, deren Wasser anhaltend sandführend sind, müssen schon oft in nur wenigen Jahren ihrer Betriebsfähigkeit durch Neubohrungen ersetzt werden. Die in solchen Brunnen arbeitenden Förderpumpen unterliegen durch die Sandführung einem sehr hohen Verschleiss und erfordern hohe Reparaturkosten und vorzeitigen Ersatz. Durch die Veränderungen der wasserführenden'Schichten zeigt sich ein fortschreitender Verfall derselben. Durch die anhaltende Entnahme aus der tragenden Substanz der Erdoberfläche entstehen Bodensenkungen, deren Auswirkungen hinreichend bekannt sind.

Brunnen dieser Art sind unwirtschaftlich und es gab bisher keine Möglichkeit für eine nachträgliche Abänderung, die die Sandführung des von der Pumpe zu fördernden Wassers abstellen könnte.

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Es ist bekannt, dass man mit zusätzlichen Filtern in direkter Verbindung mit der Pumpe die Sandführung des Wassers zu verhindern versuchte, aber eine Filtration innerhalb des Brunnens musste unabwendbar zu einer sehr schnellen Versandung desselben führen.

Zewck der neuen Saugstromsteuerung, gemäss der Erfindung , ist, den Saugstrom in seiner horizontalen Wirkung im Brunnen von den wasserführenden Schichten fernzuhalten und den Förderungsbedarf der Pumpe gleichmässig auf eine Brunnenfilterlänge so zu verteilen, dass unter Beibehältung der normalen Bewegungsweise des Wassers aus den wasserführenden Sanden von beispielsweise 5 mm. pro Sekunde, also ohne Einwirkung des Saugstromes der Pumpe, jene Wassermenge in den Brunnen einziehen kann, die der maximalen Fördermenge der Pumpe entspricht. Die Steuerung wird dabei in ihrer freien Durchlässigkeit so bemessen, dass diese von der Pumpe zu fördernde Wassermenge ohne Widerstand in das Innere der Steuerung gelangen kann. Innerhalb dieser Steuerung, gemäss der Erfindung, ist damit die Flussgeschwindigkeit des Wassers der Charakteristik der Pumpe angeglichen. Diese Steuerung der Wasserbewegung im Inneren des Brunnens verhindert gleichzeitig die Turbulenz des Wassers im Brunnen und hält den Brunnen in seiner G-esamttiefe wassereinzugsfrei, verhindert also die vorzeitige Zusetzung der tieferliegenden Filterpartien und der Bohrbrunnen bleibt für mehrere Jahrzehnte verw endungsfähig.

Die erforderliche Gesamtlänge einer Saugstromsteuerung ist von der Charakteristik des Brunnens und durch die Leistung der Pumpe bedingt und anhand dieser technischen Daten leicht zu berechnen» Zur Erleichterung des Einbaues der Steuerung in den Brunnen, vorwiegend dann, wenn der Brunnen bereits erhebliche Lotabweichungen aufweist, sowie auch zur besseren Transportmöglichkeit, besteht diese aus mehreren Längen mit flexiblen St e ckmuff enverb indung en.
Figo 1 der Zeichnung zeigt in beispielsweiser Form eine Teil-

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länge einer Steuerung, gemäss der Erfindung, im Längsschnitt,' wie diese für mittlere und grössere Pumpenleistungen vorgesehen sind.

Das innenrohr 1 aus PVC-Rohr mit glatter Innenwandung ist mit Querschlitzen 2 versehen und einer "bereits bekannten Rohrbearbeitung ähnlich, die aber der Filtration dient. Das obere Ende dieses PVC-Rohres ist zur Formung eines kräftigen Verbindungsnippels mit einem Ring aus PVC 4 umgeben, der unter bereits bekannter Verarbeitungsweise durch Erwärmung gebogen, mit einer Klebemasse aufgeklebt und zusätzlich mit Warmluft verschweisst wird. Die Innenseite des Nippels aber 3 bleibt glatt. Das untere Ende dieses PVC-Rohres ergibt den Stossitz für den Nippel des nachfolgenden St.euerungskörper. Der geformte Nippel oben ist mit einer dem Rohrumfang entsprechender Anzahl von Gewindelöcher 5 versehen oder zur Verstärkung derselben mit Einpressmuttern aus Metall bestückt. Dieses Innenrohr wird von einem Aussenrohr 6, ebenfalls aus PVC mit etwas grösserem Durchmesser umgeben, ist ebenfalls mit Querschlitzen 7 versehen. Diese Schlitzweite beträgt max. 1 mm. Das untere Ende dieses Aussenrohres ergibt eine Verbindungdmuffe 12 in loser Psssung zum Nippel. Der Innendurchmesser dieses Aussenrohres ist um ca. 50 mm grosser, als der Aussendurchmesser des Innenrohres und der dadurch gegebene freie Raum 11 wird mit einer granulierten Hartmaterialfüllung, z.B. Kunststoffgranulate oder gesiebter und gewaschener Quarzkies oder ähnlichem Material verfüllt. Zum oberen und unteren Abschluss des verfüllten Raumes dienen Abschlussringe 10. Die Bohrungen 13 in der Muffe 12, etwas grosser gebohrt, dienen zur Aufnahme der Metallschrauben.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein Element der Steuerung nach Fig. 1. Das Innenrohr 1, umgeben vom Aussenrohr 6 mit der Raumfüllung 11 sichert die Festigkeit, die zur Aufnahme der stossartigen Belastungen durch das Ein- und Ausschalten der Pumpe vorhanden sein muss.

Bei einer Steuerung kleineren Durchmessers kann' die Verbindung

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der einzelnen Elemente auch durch Gewindeverbindungen erfolgen.

Figo 3 zeigt den Einbau einer Steuerung in einen Bohrbrunnen. Die Verrohrung des Brunnens von Oberkante Terrain bis zur wasserführenden Schicht besteht aus eisernen Vollrohre 14, an denen die eisernen Brunnenfilter 15, wie dort landesüblich, entweder mit Gewindeverbindung oder durch Schweissung angesetzt sind. Diese Brunnenfilter sind meist mit sehr weiten Schlitzen 15 versehen. Die in den Brunnen eingebaute Wellenpumpe 13 wird mittels einer Führung 20 konzentrisch im Brunnen montiert und die Steuerungselemente 16 in erforderlicher Länge sind mit der Pumpe direkt verbunden. Durch die Führungen an den Verbindungen der Steuerungselemente hängt auch die Steuerung konzentrisch im Brunnen, um deren sichere Funktion zu gewährleisten. Am unteren Ende der Steuerung ist diese mit einem Boden 18 verschlossen und ebenfalls eine Führung 19 anmontiert. Der Einbau der einzelnen Steuerungselemente in den Brunnen wird durch einenSicherungsring 8 am oberen Steuerungsende nach Fig. 1 erleichtert und abgesichert. Die Verrohrung des Brunnens ist mit einer Kiesschüttung 21 umgeben, die der Zurückhaltung der wasserführenden Feinsande dienen soll. Durch den konzentrischen Einbau der Steuerung und deren Wirkung, die nachfolgend noch in Fig. 6 erläutert wird, bleibt der Raum zwischen dem Brunneninneren ind der Aussenwandung der Steuerung während der Wasserförderung durch die Pumpe sandfrei. 23.

Fig« 4 der Zeichnung veranschaulicht die Einbauart einer Steuerung in Verbindung mit einer Unterwas'serpumpe in einen Bohrbrunnen. Der mehrstufige Pumpenkörper 24 mit dem Elektromotor 25 und mit der dazwischen liegenden Ansaugöffnung 26 ist mit einem Steuerungsmantel 27 umgeben und zwar derart, dass zwischen Pumpe mit Motor und dem Steuerungsmantel ein Raum 29 verbleibt, der die von der Pumpe zu fördernden Wassermenge von unten des Zylinders mit s einem. V/asserleitraum 30 zur Ansaugöffnung der Pumpe 26 gelangen kann. Zwischen dem Steuerzylinder 27 und dem Vollrohr des Brunnens 33 ist ebenfalls ein freier Raum 34, um das oberhalb der Pumpe stehende

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Wasser bei der Senkung des Wasserspiegels nicht zu behindern. Dieser Steuerungszylinder 27 ist am unteren Ende trichterförmig verjüngt 30 und an dieser Durchmesserverkleinerung ist der Anschluss 32 für die Steuerung 35 angesetzt und diese Muffenform mit einer Führung 37 versehen. Die Pumpe ist noch innerhalb der Vollrohre des Brunnens 33» die Steuerungselemente aber 35 beginnen auf gleicher Tiefe mit den eisernen Brunnenfiltern 36 Die Steigrohrleitung der Pumpe 28, an welcher das Kabel für den Elektromotor 38 befestigt ist fuhrt nach- oben.·

Fig. 5 der Zeichnung zeigt den Einbau einer Steuerung in einen Brunnen, bei welchem die Brunnenfilter 38 mit kleinerem Durchmesser durch die obere Vollrohrtour 39 frei auf der Bohrsohle des Brunnens abgestellt sind. Hierzu ist ein Zusatz zur Durchführung des Anwendungsverfahrens in Form eines Abdichtungskopfes nötig. Der freie Raum 37 zwischen Brunnenfilter 38 und der grösseren Vollrohrtour 39 erhält eine zuverlässige Abdichtung dadurch, dass eine Eisenplatte 35 auf das obere Ende der Brunnenfilter 38 als G-ewichtsträger für die Steuerung aufgelegt ist, diese aber einen kreisrundenAusschnitt zur losen Durchführung des Verbindungsrohres 40 erhält. Eine weitere Eisenplatte 41, ebenfalls mit kreisrundem Ausschnitt, ist mit dem Verbindungsrohr 40 verschwelest und mit einem Senkbügel 43 versehen. Zwischen diesen beiden Eisenplatten befindet sich eine Grummimanschette 42 in runder Schlauchform. Am Verbindungsrohr sind die Steuerungselemente 44 befestigt und das Gewicht derselben be- ■ lastet die Gummimanschette, wodurch eine seitliche Abdichtung zum Brunnenvollrohr 39 gegeben ist. Die Förderpumpe bleibt freihängend in den Vollrohren des Brunnens.

Fig. 6 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung die Funktionsaufgabe einer Steuerung mit einem Berechnungsbeispiel, gemäss der Erfindung. An der Wellenpumpe 17 mit einer Förderleistung von beispielsweise 40 ltr/sc. sind 9 Steuerungslängen 45 bis 53 zu einer rohrförmigen kompl«, Saugstromsteuerung mit den nötigen Führungen zusammengebaut. Jede einzelne Länge erhält einen freien V/asserdurchfluss von 4,5 ltr/sc, sodass im Inneren der Steuerung zusammen 40,5 ltr. Wasser pro Sekunde für die mpe zur Verfugung steht. Durch die Anwendung der Saugstrom-

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steuerung bleibt die Wirkung des Saugstromes der Pumpe auf das Innere der Steuerung begrenzt, während der Wassereinzug durch die Steuerung turbulenzfrei erfolgt, kann das G-rundwasser aus den wasserführenden Schichten in geschlossener Fliessart und mit ungestörter Fliessgeschwindigkeit, bei Feinsanden mit ca. 5 mm pro Sekunde in den Brunnen einziehen. Die schädigende Einwirkung des Ansaugstromes der Pumpe ist vom Brunnenfilter abgehalten und zudem wird die von der Pumpe zu fördernde Wassermenge auch aus der tieferliegenden Brunnenfilterpartie entnommen und folglich weitgehend eine Verkrustung oder Verockerung vermieden. Die Ausführungsart einer Steuerung, sowie deren Gesamtlänge wird für jeden Brunnen speziell "berechnet, um den Sandeinzug in das Brunneninnere zu vermeiden. Der Steuerung fällt keinerlei filternde Aufgabe zu und sind auch folglich nicht als Filter zu bezeichnen.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   / 1,Verfahren zur sandfreien Wasserförderung aus Bohrbrunnen, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anwendung einer Steuerung des Saugstromes ohne Minderung der Pumpenleistung und ohne Filtration im Brunnen die Sandführung des Wassers behoben wird.
2. 2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass . durch den gesteuerten Saugstrom eine wesentlich geringere Absenkung des Wasserspiegels erreicht wird.

   5.Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerung des Saugstromes der Pumpe die "bisherige Turbulenz des Wassers im Brunnen beseitigt ist und somit die Ausscheidung verockerungsfordernder Substanzen im Brunnen sich weitgehendst reduciert.

   4«Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 5» dadurch gekennzeichnet, dass durch die Saugstromsteuerung die gesamte Brunnenfilterpartie einen gleichmässigen Wassereinzug aus den wasserführenden Schichten bewirkt und der Brunnen dadurch in seiner gesamten Tiefe arbeitsfähig ist und dadurch seine Nutzungsdauer verlängert wird.

   5.Steuerungselemente zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2, 3 und 4j dadurch gekennzeichnet, dass unter Benutzung von doppelwandigen Kunststoff- oder auch Metallelementen in Rohrform ein körniges Hartgranulat bestimmter Körnung zur Steuerung der turbulenzfreien Wasserbewegung im Brunnen, nicht aber zur Filtration Anwendung findet.

   6.Unterbenutzung der Steuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuerung auf jede Pumpenleistung abstimmbar ist und in jedem alten, wie auch neuen Bohrbrunnen zur Abstellung der Sandführung des Wassers eingebaut werden kann.

   C Λ Ö O 5 Λ
3. 3 . 240132?

   ..Unter Benutzung der Steuerung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Abdichtung der zwei verschiedenen Rohrgrössen nach Fig. 5 der Zeichnung eine Anwendung
   der Saugstromsteuerung auch "bei Brunnen dieser Ausführungsart gegeben ist.