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"Einrishtung zur Zumischung von strömungswiderstandsvermindernden
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Additiven oder Lösungen in die Grenzschicht eines durch eine rohrförmige
Leitung strömenden Mediums Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zumischung
von strömungswiderstandsvermindernden Additiven oder Lösungen in die Grenzschicht
eines durch eine rohrförmige Leitung strömenden Mediums, wobei in der Leitung eine
Zumischdüse angeordnet ist, die mit einem Vorratsbehälter für die widerstandsvermindernden
Additive bzw. Lösungen verbunden ist.
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Bei einer aus der DT-PS 2 362 557 bekannten Einrichtung ist im Nebenschluß
zu einer Hauptleitung ein Mischkreis vorgesehen, dem eine Zumischdüse, ein Vorratsbehälter
für die widerstandsvermindernden Additive und ein Hydrationstank zugeordnet sind.
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Zwischen der Hauptleitung und dem Hydrationstank verläuft eine eine
Zumischdüse enthaltende Zuleitung, die unter einem von dem Geschwindigkeitsverhältnis
bzw. Durchsatzmengenverhältnis der Hauptleitung zur Zuleitung abhängigen Winkel
an der Hauptleitung befestigt ist. Der Hydrationstank ist koaxial um die Hauptrohrleitung
angeordnet, wobei sein Innenraum über eine
Mischdüse mit der Hauptrohrleitung
in Verbindung steht. Der Vorratsbehälter für die widerstandsvermindernden Additive
weist eine besondere Einrichtung zur Förderung der Additive aus dem Vorratsbehälter
in die Zumischdüse auf, und zwar werden die Additive durch ein Treibmedium aus dem
Vorratsbehälter herausgedrückt. Hierzu sind die widerstandsvermindernden Additive
im Vorratsbehälter von den Treibmedien durch eine Rollmenbran getrennt. Als Treibmedium
kann von der Hauptrohrleitung dem Vorratsbehälter zugeführtes Wasser verwendet werden.
Es ist jedoch auch möglich, an den Vorratsbehälter eine zusätzliche Druckeinrichtung
zur Förderung der chemischen Additive anzuschließen.
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Die bekannte Einrichtung hat sich in der Praxis für Wasserdurchflußmengen
bis zu 2000 1/min durch die Hauptrohrleitung bewährt, jedoch treten bei größeren
Durchflußmengen einige Nachteile auf. Da der Additiv-Verbrauch proportional zur
Wasserdurchflußmenge steigt, müssen entsprechend große Vorratsbehälter für die chemischen
Additive verwendet werden.
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Dies führt auch zu entsprechend großen Membranen. Es werden somit
Einrichtungen erforderlich, die große Baugewichte aufweisen, sehr voluminös ausgeführt
sind und sich daher nicht mehr in Fahrzeuge einbauen lassen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Herstellung strömungswiderstandsvermindernder Lösungen zu schaffen, die sich besonders
durch verhältnismäßig kleine Baugrößen auszeichnet, so daß sie unter Ausnutzung
des in einem Fahrzeug vorhandenen Platzes in dieses ohne Schwierigkeiten eingebaut
werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem
Vorratsbehälter und der Zumischdüse eine Additivpumpe angeordnet ist, die die widerstandsvermindernden
Additive bzw. Lösungen aus dem Vorratsbehälter in die Zumischdüse fördert, daß der
Dosierspalt der Zumischdüse in Abhängigkeit von dem Anstehen der Förderleistung
der Additivpumpe geschlossen oder geöffnet ist und daß eine Regeleinrichtung zur
Regelung der Förderleistung der Additivpumpe vorgesehen ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die widerstandsvermindernden
Additive in Form eines thixotropen Konzentrats verwendet werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung geht dahin, daß die Regelein richtung
in Abhängigkeit von dem an der Zumischdüse vorhandenen Differenzdruck regelbar ist,
der durch die in der Zuleitung vor und hinter der Zumischdüse herrschenden Drücke
bestimmt und dem Quadrat der Durchflußmenge durch die rohrförmige Leitung proportional
ist. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch vorgesehen, daß die Förderleistung der Additivpumpe
in Abhängigkeit einer direkten Durchflußmengenmessung geregelt wir.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen im
Vorratsbehälter für die widerstandsvermindernden Additive herrschenden Uberdruck,
der den Druckverlust in der Saugleitung kompensiert. Der Überdruck kann in Abhängigkeit
von der Länge der Saugleitung und der Temperaturen der Additive bzw. Lösungen mittels
eines Reglers automatisch einstellbar sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß die Zumischdüse aus einem Gehäuse mit zwei an die Zuleitung
anschließbaren
Rohrstutzen und einem im Innenraum des Gehäuses angeordneten und in Richtung der
Rohrstutzen verschiebbar gelagerten Düsenstock besteht, dessen Bohrung mit den Bohrungen
der Rohrstutzen fluchtet, daß ein Ende des Düsenstocks zusammen mit einem Rohrstutzen
einen verschließbaren Dosierspalt bildet, der über einen Ringkanal mit einem an
die Additivpumpe anschließbaren Leitungsanschluß in Verbindung steht, und daß der
Düsenstock mit einem den Düsenstock umgebenden und im Innenraum des Gehäuses druck-
und flüssigkeitsdicht geführten Kolben mechanisch fest verbunden ist, dessen dem
Dosierspalt näherliegende Stirnseite eine Seitenwand des Ringkanals bildet und zwischen
dessen anderer Stirnseite und der benachbarten Stirnseite des Gehäuses eine Druckfeder
angeordnet ist. Das Gehäuse kann aus einem scheibenförmigen Vorderteil mit integriertem
Rohrstutzen, Ringkanal und Leitungsanschluß, einem zylinderförmigen Mittelteil und
einem scheibenförmigen Hinterteil mit integriertem Rohrstutzen zusammengesetzt sein.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die bei der
Einrichtung nach DT-PS 23 62 557zum Abstellen erforderliche Einführung einer Sperr-
oder Pufferflüssigkeit in die Rohrleitung zwischem dem Vorratsbehälter für die widerstandsvermindernden
Additive und der Zumischdüse nicht erforderlich ist, so daß die erfindungsgemäße
Einrichtung verhältnismäßig einfach, ohne großen technischen Aufwand und sehr funktionssicher
aufgebaut werden kann. Das Bestreben des verwendeten thixotropen Additivkonzentrats
mit sehr hoher Affinität zu Wasser bei der Vermischung beider Verbindungen Klumpen
zu bilden, wird durch die Zumischdüse verhindert. Die Zumischdüse ist aufgrund ihres
besonderen Aufbaus und ihrer besonderen
Funktionsweise in der Lage,
sofort im Augenblick des Dosierstillstandes zu schließen und eine weitere Beimischung
der widerstandsvermindernden Additive zu Wasser zu verhindern.
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Der Schließvorgang kann nicht von einem Schieber übernommen werden,
da die Pumpen zum Dosieren von Additiven nicht gegen einen geschlossenen Schieber
laufen dürfen. Ein in dem Leitungsanschluß der Zumischdüse angeordneter Schieber
würde im Moment des Dosierstillstandes dazu führen, daß sich im Ringkanal der Zumischdüse
Wasser mit den Additiven zu einer hochkonzentrierten Lösung vermischen könnte.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Figur 1 eine Einrichtung zur Herstellung strömungswiderstandsvermindernder
Lösungen und Figur 2 eine Zumischdüse im Schnitt.
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In Figur 1 weist die Einrichtung zur Herstellung strömungswiderstandsvermindernder
Lösungen einen Hydrationstank 1 auf, durch dessen Endböden 2 und 3 eine rohrförmige
Hauptleitung 4 geführt ist. Die Hauptleitung 4 ist mit Hilfe von Dichtelementen
5 und 6 mit den Endböden 2 und 3 des Hydrationstanks 1 flüssigkeitsdicht verbunden.
Eine zeichnerisch nicht dargestellte Pumpe fördert durch die Hauptleitung 4 einen
Wasserstrom, in dessen Grenzschicht über eine Mischdüse 7 die strömungswiderstandsvermindernden
Additive eingespritzt werden. Die Mischdüse 7 ist im Inneren des Hydrationstanks
1 in der Nähe des Endbodens 3 angeordnet. Im Bereich der Mischdüse 7 ist auf der
Hauptleitung 4 ein Zentrierring 8 angeordnet, der über z.B. runde oder
viereckige
Stützelemente 9 mit dem Endboden 3 des Hydrationstanks 1 mechanisch fest verbunden
ist. Die Stützelemente können auch an die zeichnerisch nicht näher bezeichneten
Seitenwände des Hydrationstanks geführt sein.
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Der Innenraum 10 des Hydrationstanks 1 steht über eine Zuleitung 11,
die durch den Endboden 2 des Hydrationstanks geführt und unter einem Winkel an einem
außerhalb des Hydrationstanks 1 liegenden Stück der Hauptleitung 4 mechanisch befestigt
ist, mit dem Innenraum der Hauptleitung 4 in Verbindung. Der optimale WinkeloC ist
von dem Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptleitung 4 und der Strömungsgeschwindigkeit
in der Zuleitung 11 oder entsprechend dem Verhältnis der Durchsatzmengen dieser
beiden Leitungen abhängig und beträgt in diesem Ausführungsfall 150.
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In der Zuleitung 11 ist eine Zumischdüse 12 angeordnet, die über eine
Saugleitung 13 und eine Additivpumpe 14 mit einem Vorratsbehälter 15 für chemische
Additve mechanisch fest verbunden ist.
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Dem Vorratsbehälter 15 für die widerstandsvermindernden Additive,
die in diesem in Form eines thixotropen Konzentrats vorliegen kennen, ist ein Preßluftregler
16 nachgeschaltet, der den Druckverlust in der Saugleitung 13 durch Überdruck im
Vorratsbehälter automatisch kompensiert. Dieser Unterdruck ist abhängig von der
Zuleitungslänge und der Konzentrattemperatur. Unter Umständen ist es jedoch auch
möglich, den Preßluftregler 16 wegzulassen, nämlich dann, wenn das Konzentrat durch
Eigengewicht oder Saugkraft der verwendeten Additvpumpe 14 die Druckvefluste der
Saugleitung 13 überwindet.
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Die verwendbaren Typen der Additivpumpe sind durch die Eigenschaften
des thixotropen Additivkonzentrats bestimmt. Es kommt eine Zahnradpumpe mit außenliegenden
Lagern, eine Kolbenpumpe oder eine Schraubenspindelpumpe in Betracht. Voraussetzung
für die Pumpe ist, daß der Druck von der Durchflußmenge nur unwesentlich abhängig
ist, damit die Dosierung der widerstandsvermindernden Additve nicht von dem im Hydrationstank
vorhandenen Druck abhängig ist. Der Antrieb der verwendeten Pumpe kann elektrisch
oder hydraulisch erfolgen.
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Im Betriebszustand der in Figur 1 dargestellten Einrichtung fließt
durch die Hauptleitung 4 ein Wasserstrom, von dem ein Teil in die Zuleitung 11 eintritt.
In dieser Zuleitung entsteht ein Wasserstrom, dem in der Zwischendüse 12 widerstandsvermindernde
Additve zugemischt werden und der nach erfolgter Zumischung und Hydratisierung im
Hydrationstank i über die Mischdüse 7 wieder in die Hauptleitung 4 eintritt. Die
Additive gelangen mit Hilfe der Additivpumpe 14 über die Rohrleitung 13 aus dem
Vorratsbehälter i5 in die Zumischdüse 12, deren Dosierspalt aufgrund der besonderen
Ausbildung der Zumischdüse 12 (vgl. Fig.
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2) beim Anstehen einer Förderleistung der Additivpumpe geöffnet ist.
Zur Regelung der Pumpenfbrderleistung ist eine Regeleinrichtung 17 vorgesehen, die
in Abhängigkeit von dem an der Zumischdüse 12 vorhandenen Differenzdruck arbeitet.
Der Differenzdurck ist durch die in der Zuleitung vor und hinter der Zumischdüse
herrschenden und mittels zeichnerisch nicht dargestellter Meßfühler ermittelten
Drücke bestimmt und dem Quadrat der Durchflußmenge durch die rohrförmige Hauptleitung
4 proportional. Eine Regeleinrichtung kann auch über die direkte Messung der Durchflußmenge,
z.B. mittels eines auf induktiver Basis
arbeitenden Durchflußzählers
gesteuert werden (unabhängig von der Viskosität. Die Regelung der Pumpenförderleistung
kann bei Zahnrad- oder Schraubenspindelpumpen über die Drehzahl, bei einer Kolbenpumpe
wahlweise über die Drehzahl oder eine Hubverstellung erfolgen. Bei hydraulischen
Pumpenantrieben sowie bei Kolbenpumpen ist es jedoch auch möglich, den Differenzdruck
direkt zur Steuerung zu verwenden. Als Beispiele seien die Taumelscheibenpumpe mit
Ihibregelung oder die direkte Hubregelung einer Kolbendosierpumpe erwähnt.
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Die Einrichtung wird einwandfrei - d.h. ohne eine Klumpenbildung zwischen
dem Additivkonzentrat und dem Wasser in der Zumischdüse 12 und/oder der Zuleitung
11 zu bewirken - dadurch abgestellt, daß beim Abschalten der Additivpumpe die Zumischdüse
infolge ihrer besonderen Ausbildung ihren Dosierspalt im Augenblick des Dosierstillstandes
sofort selbsttätig schließt. Die Abschaltung der Additivpumpe kann hierbei durch
eine Bedienungsperson von außen oder durch die Regeleinrichtung 17 bei Unterschreiten
eines vorgegebenen Grenzwertes des Differenzdruckes bzw. der Durchflußmenge erfolgen.
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Aus Figur 2 ist die besondere Ausbildung der Zumischdüse 12 ersichtlich,
deren Gehäuse 18 aus einem scheibenförmigen Vorderteil 19 mit integriertem Rohrstutzen
20, einem zylinderförmigen Mittelteil 21 und einem scheibenförmigen Hinterteil 22
mit integriertem Rohrstutzen 23 zusammengesetzt ist. Die Rohrstutzen 20 und 23 sind
an die Zuleitung 11 aus Figur 1 angeschlossen. Im Innenraum des Gehäuses 18 ist
ein in Richtung der Rohrstutzen 20 und 23 bewegbarer Düsenstock 24 gelagert, der
eine mit den Bohrungen der Rohrstutzen fluchtende Bohrung aufweist. Der
Düsenstock
24 ist von einem im Innenraum des Gehäuses 18 mittels nicht näher bezeichneter Dichtelemente
druck- und flüssigkeitsdicht geführten Kolben 25 umgeben und mit diesen mechanisch
fest verbunden. Das zum Gehäusevorderteil 19 weisende Ende des Düstenstocks 24 ist
zum Vorderteil hin konisch ausgebildet und bildet mit dem benachbarten Ende des
Rohrstutzens 20 einen verschließbaren Dosierspalt. Der Dosierspalt stellt über einen
Ringkanal 26 und einen Leitungsanschluß 27 die Verbindung zwischen der Zuleitung
11 und der mit dem Vorratsbehälter 15 für die widerstandsvermindernden Additive
verbundenen Rohrleitung 13 her (siehe Figur 1) und dient zur Beimischung der Additive
zu dem die Zuleitung 11 durchsetzenden Wasserstrom. Der Ringkanal 26 wird durch
die innen liegende Seitenwand des Gehäusevorderteils 19 und durch die benachbarte
Stirnseite des Kolbens 25 gebildet, zwischen dessen entgegengesetzter Stirnseite
und der benachbarten Innenseitenwand des Gehäusehinterteils 22 eine Druckfeder 28
angeordnet ist. Mittels der Druckbohrung 29 im Düsenstock 24 wird der in der Hauptleitung
wirkende statische Druck kompensiert, so daß beim Abstellen der Pumpe beim Schließvorgang
nur die Federkraft wirkt. Weiterhin kann dieser auf der Rückseite 31 des Kolbens
25 wirkende statische Druck mittels einer Bohrung 30 abgenommen und als Regelgröße
verwendet werden.
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Im Betriebs zustand der erfindungsgemäßen Einrichtung, d.h. bei Zumischung
der widerstandsvermindernden Additive zum Wasserstrom in der Zuleitung 1t, drücken
die von der Additivpumpe 14 in den Ringkanal 26 geforderten Additive den Kolben
25 zusammen mit dem Düsenstock 24 entgegen der Federkraft der Druckfeder 28 in Richtung
des Gehäuse-Hinterteiles 22. Der statische Druck
auf der Rückseite
des Kolbens 25 wird hierbei über eine nicht bezeichnete, an einen Leitungsanschluß
29 anschließbare Bypaßleitung kompensiert. Der Dosierspalt wird somit geöffnet und
es kann eine Zumischung erfolgen. Beim Abstellen der Additivpumpen hingegen wird
der Kolben 25 mit dem Düsenstock 24 infolge der Federkraft der Druckfelder 28 in
Richtung des Gehäusevorderteiles 19 verschoben und der Dosierspalt verschlossen.
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Dies erfolgt do schnell, daß eine Klumpenbildung zwischen den Additiven
und dem Wasser nicht auftritt.
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Ein weiteres, zeichnerisch nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die in Figur 1 dargestellte Zuleitung
11 zur Hauptleitung wird, wobei dann die Hauptleitung 4 und der Hydrationstank 1
aus Figur 1 wegfallen. Bei diesem Ausführungsbeispiel würde eine reduzierte Widerstandsverminderung
auftreten, und zwar so lange, bis die widerstandsvermindernden Additive vollständig
im Wasser gelöst sind. Diese Anwendung ist immer dann vorteilhaft, wenn die Lösungszeit
der Additive, ihre sogenannte Hydrationszeit, relativ kurz ist und die verwendeten
Schlauch- bzw.
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Rohrstrecken möglichst lang sind.
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L e e r s e i t e