DE2819506A1 - Vorrichtung zum ermitteln des sedimentierungsbeginns der feststoffphase bei feststoff-fluessigkeitssuspensionen - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Ermitteln des Sedimentierungsbegiilns der Feststoffphase bei Feststoff-Flüssigkeitssuspensionen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln des Sedimentierungsbeginns der Feststoffphase in Feststoff-Flüssigkeitssuspensionen. Bei der Betrachtung der Fördermethoden für in Wasser suspendierten Stoffen mit Hilfe einer Leitung ist es insbesondere "wichtig, die sogenannte kritische Geschwindigkeit zu ermitteln, die als die Geschwindigkeit definiert ist, die in Abhängigkeit von dem zu fördernden Stoff zur Bildung von Ablagerungen oder Sedimentationen neigt.

Die Ermittlung der kritischen Geschwindigkeit oder besser gesagt, des Bewegungsablaufes und der Erscheinungen, die dieser vorausgehen und diese begleiten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fördermittels allmählich abnimmt, bereitet infolge der Eigenschaften von Flüssigkeitssuspensionen besondere Schwierigkeiten, da die Flüssigkeitssuspensionen in diesem Fall Schleif Wirkungen hervorrufen und lichtundurchlässig werden. Die letztgenannte Eigenschaft von Suspensionen verhindert die Anwendung von üblichen optischen Methoden, wie z.B. die unmittelbare Beobachtung oder die Verwendung von interferrometrischen Methoden. Die Partikel in der Suspension verursachen zusätzliche Störungen bei den Sonden bzw. Fühleinrichtungen, die zur Ermittlung der lokalen Geschwindigkeit dienen und beispielsweise von Pitot-Rohren und ähnlichen Einrichtungen gebildet werden. Auch Meßverfahren, die Wärmemeßfühler verwenden, die beispielsweise von Heißfilmmeßfühlern gebildet werden, lassen sich zu diesem Anwendungszweck nur schwerlich verwenden, da das Fühlelement einem beträchtlichen Abrieb ausgesetzt ist. Positive Ergebnisse hat man bei der Verwendung von Einrichtun-

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gen erzielt, die die lokalen Geschwindigkeiten auf elektromagnetischer Basis ermitteln. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß diese Einrichtungen zusätzlich auf die magnetischen Eigenschaften der* Leitung selbst und des beförderten Feststoffes ansprechen, so daß Einrichtungen erforderlich sind, die äußerst kompliziert aufgebaut und teuer zu erwerben sind.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Eigenschaften von strömenden Massen ermitteln kann, wenn sich die Suspension der kritischen Geschwindigkeit nähert.

Die Ermittlung erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe einer elektrischen Fülleinrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß zwei Elektrodensätze vorgesehen sind, daß der erste der Elektrodensätze die Aufgabe einer Polarisierung und der zweite die Aufgabe einer Ermittlungseinrichtung hat.

Im Hinblick auf die Funktionsweise einer derartigen Fülleinrichtung sei beispielsweise auf T.Kazanskij: Friction Losses and Macroturbulent Intensity in Two-Phase Pipe Flows, World Dredging and Marine Construction, September 1973, S. 23) verwiesen. Hieraus ergibt sich, wenn diese Geschwindigkeiten zur Gewährleistung einer korrekten Förderung der Suspension bei niederen Geschwindigkeiten in der Nähe der kritischen Geschwindigkeit durchlaufen werden, eine Intensitätszunahme der Makroturbulenz und eine Frequenzabnahme bzw. eine Häufigkeitsabnahme der Wirbel auftreten. In einem adäquat kleinen Intervall, in dessen Mitte die kritische Geschwindigkeit liegt, kann man das Phänomen von beweglichen Dünen oder Flugablagerungen feststellen, das seine Ursache in der Bildung von instabilen Ablagerungen des Feststoffes auf dem Boden der Leitung hat, und die Instabilität dieser Ablagerungen läßt sich in Pulsierungsbewegungen mit niedriger Frequenz ausdrücken.

Bei geringeren Geschwindigkeiten außerhalb des zuvor genannten

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Intervalls kann man die Bildung von ortsfesten Ablagerungen feststellen.

Die Ermittlung der kritischen Geschwindigkeit kann somit dadurch erfolgen, daß man die Strömung einer Suspension in der Nähe der den Boden der Leitung bildenden Linie überwacht. Die Fühleinrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Überwachung und Ermittlung ,einer derartigen Strömung auf einfache, zuverlässige und leicht einbaubare Art und Weise, wobei keinerlei Beschränkungen im Hinblick auf die vorhandene Leitungsabmessung vorhanden sind. Die Fülleinrichtung kann insbesondere die Fluide ermitteln und überwachen, die im allgemeinen einen bestimmten ionischen Dissoziationsgrad hatten, wie z.B. Suspensionen aus Feststoffen bzw Feststoffteilchen im reinen Wasser. Der Disso iationsgrad ist bei der nachstehenden Beschreibung aus Vereinfachungsgründen, als konstant angenommen worden.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung ist in einer elektrischen Vorrichtung zu sehen, die den Beginn der Sedimentation der Feststoffphase einer Feststoff-Flüssigkeitssuspension eines strömenden Mediums ermittelt und anzeigt. Die Suspension strömt in einer Leitung, die eine Beförderung des strömenden Mediums über große Entfernungen gestattet. Die Vorrichtung weist im wesentlichen einen Satz Polarisierungselektroden und einen Satz Ermittlungselektroden auf. Die von der Vorrichtung abgegebenen Signale werden nach der Verarbeitung entsprechend aufgezeigt, und charakteristische Strömungsbilder der strömenden Suspension können an einem Oszilloskop betrachtet oder gewünschtenfalls graphisch aufgezeichnet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Fühleinrichtung nach

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der Erfindung als Gesamtansicht; Fig. 2 eine Draufsicht auf die Fühleinrichtung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer möglichen Anordnung der Fühleinrichtung, der Ermittlungseinrichtung und der damit verbundenen Meßeinrichtung;

Fig. 4 Ausdrucke bzw. Diagramme von Signalen, die sich auf verschiedene Zustände beziehen.

Nach Fig. 1 umfaßt die Fühleinrichtung Elektroden 4,5 und 6, die durch ein dielektrisches Material 9 voneinander isoliert sind. Die Elektroden bilden eine Polarisierungsgruppe, die die Elektroden 5 und 6 enthält, und eine Ermittlungsgruppe, die die Elektrode 4 enthält. Zwischen-den Elektroden 5 und 6 wird eine elektrisches Potentialdifferenz mit Hilfe eines entsprechenden Gleichstromspannungsgenerators 8 aufrechterhalten, um eine Gesamtbewegung der Ionen zu induzieren, die in der Suspension 2 vorhanden sind, die durch die Leitung 3 strömt. Die Strömungsrichtung ist mit Pfeilen angedeutet.

Die elektrische Potentialdifferenz könnte auch dadurch erzeugt werden, daß man sich den elektrochemischen Effekt zunutze macht, indem man entsprechend gewählte Materialien für die Elektroden 5 und 6 vorsieht.

In dem Wechselwirkungsbereich der Elektroden 4,5 und 6 bildet sich eine Bewegungsform, die auf einer Verteilung und Konzentration der elektrischen Ladungen basiert, die eine Funktion der elektrischen Feldstärke und der Geschwindigkeit der Suspension ist. Die zweite Ermittlungs- und Meßeinrichtung umfaßt bei der dargestellten Ausführungsform die Elektrode 4, und sie ist so angeordnet, daß sie die Bewegung der Ionen erfassen kann, die durch die erste Gruppe von Elektroden (5 und 6) er-

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zeugt wird. Sie wird demzufolge elektrisch auf ein Potential aufgeladen, das von dem Gleichgewichtszustand zwischen den aufgenommenen und abgegebenen Ladungen

Somit kann man ein elektrisches Signal zwischen der Meßelektrode 4 und einer Bezugselektrode ableiten, die üblicherweise von der Erdungselektrode 6 gebildet wird.In Anbetracht der vorstehenden Beschreibung in bezug auf den Einfluß der Bewegung der Suspension auf die Bewegungsform, die Verteilung und Konzentration der Ladungen im Wechselwirkungsbereich der Elektroden ergibt sich an der Meßelektrode 4 ein Signal, das sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsänderung des Suspensionsstroms ändert.

Das Signal hat im allgemeinen zwei Komponenten, eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente. Die Gleichstromkomponente bezieht sich auf die Gesamtbewegung der Suspension als Ganzes, die aus Vereinfachungsgründen als konstant angenommen wird, sowie auf den Diisoziationsgrad. Die zweite Komponente bezieht sich im wesentlichen auf das Phänomen der Makroturbulenz, und wenn diese fehlt, ist eine Sedimentierung einer Materialschicht im Elektrodenbereich zu erwarten. Die Wechselstromkomponente läßt sich mit Hilfe von einfachen Instrumenten, wie z.B. eines Voltmeters 7, erfassen, und dann kann sie entsprechend ermittelt und verarbeitet werden.

Demzufolge ist klar, daß die beiden Einheiten, die Polarisierungseinheit und die Meßeinheit, jeweils nur eine einzige Elektrode aufweisen können. Bei dieser Ausführungsform sind die Funktionen der beiden Einheiten derart kombiniert, daß die beiden Elektroden sowohl eine Polarisierungs- als auch eine Ermittlungsfunktion haben.

Die Anordnung der Elektroden der beiden Einheiten kann unter Bildung einer Axialsymmetrie erfolgen (beispielsweise bei

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konzentrischen zylindrischen Elektroden). Bei einer solchen Ausführungsform ist keine Empfindlichkeit auf die Bewegungsrichtung der Suspension vorhanden, während man hingegen bei einer fehlenden axialen Symmetrie eine Empfindlichkeit auf die Bewegungsrichtung der Suspension erhält.

Fig. 3 zeigt eine spezielle Anwendung einer Vorrichtung nach der Erfindung. Die Fühleinrichtung 1 ist im Bodenbereich der Leitung 3 eingebaut, durch die eine Suspension strömt, die beispielsweise von in Wasser suspendierten Kohlepartikeln, Kalkpartikeln und dergl. gebildet wird und über eine große Entfernung befördert wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die Elektroden derart angeordnet, daß sie nicht in den Innenraum der Leitung ragen. Das von der Fühleinrichtung 1 gelieferte Signal geht durch einen Filter 12 mit hohem Durchlässigkeitsbereich, das eine Grenzfrequenz in der Nähe von 0,1 Hz hat. Dieses Filter eliminiert die Gleichstromkomponente des Signals. Das Signal wird dann mit Hilfe eines Verstärkers 13 verstärkt und kann als zeitabhängige Funktion auf einem Oszillographen 14 aufgezeichnet werden. Das verstärkte Signal wird weiterverarbeitet, um eine bessere Aufzeichnung mit Hilfe eines Plotters 17 zu ermöglichen. Hierzu wird die Wechselstromkomponente des Signals mit Hilfe einer mit 15 bezeichneten Leitungsschaltung gleichgerichtet und geht dann durch eine Schaltung 16, die den Mittelwert des Signals mit einer Zeitkonstante von einigen Sekunden abgibt. Hierdurch wird der Zweck erreicht, daß für den Schreibstift des Plotters 17 störende Schwingungen unterdrückt werden können. Schließlich kann das Signal auch mit Hilfe der Quadraturmethode verarbeitet werden, um einen quadratischen Mittelwert bzw. einen Effektivwert (RMS-Wert) zu erhalten, der kennzeichnend für die Bestimmung einer Turbulenzintensität ist. Man kann auch die Methode der Fourrier-Analyse oder anderer Bestimmungsmethoden auf die Signale anwenden.

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Fig. 4 zeigt schematisch in Diagrammen einige Signaltrends auf, die typische Strömungszustände darstellen. Mit 18 ist ein Signal bezeichnet, das kennzeichnend für eine schnelle Bewegung der Suspension ist. Das Diagramm 19 gibt den Trend des Signals wieder, das sich auf eine langsamere Bewegung bezieht, die jedoch über der kritischen Geschwindigkeit liegt.

Das Diagramm bzw. der Ausdruck 20 zeigt den Trend eines Signals auf, der sich auf das "'Dümenphänomen bzw. die Flugablagerung bezieht.

Die Aufzeichnung 21 gibt den Trend eines Signals wieder, das kennzeichnend für die Sedimentation des Strömungsmediums ist.

Bestimmungsgemäß kann die Vorrichtung nach der Erfindung zusätzlich zu den zuvor genannten Anwendungsgebieten auch für Vorratsbehälter oder Behälter ganz allgemein bestimmt sein, in denen die Bewegung des Inhalts überwacht werden soll, um eine homogene Suspension frei von Sedimentationen aufrecht zu erhalten Auch kann die Vorrichtung nach der Erfindung unter entsprechender Abwandlung der elektrischen Einrichtungen bezüglich der Ermittlungselektroden, ausgehend von der Fühleinrichtung nach der Erfindung, ganz allgemein zum Messen der Bewegung oder der Bewegungslosigkeit von Fluiden ganz allgemein verwendet werden.

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Claims (5)

Dr. F. Zumsteih sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys, R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE München 2 · Bräuhausstraße 4 · Telefon Sammei-Nr. 225341 · Telegramme Zumpat - Telex 529979 6/Li Case IO63 SNAMPROGETTI S.ρ.Α., Mailand / Italien PATENTANSPRÜCHE

1.\ Vorrichtung zum Ermitteln des Sedimentierungsbeginns der Feststoffphase einer Feststoff-Flüssigkeitssuspension "bei sich über große Entfernungen erstreckenden Fördereinrichtungen für Fördermedien, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus zwei Elektrodensätzen (4,5» 6) gebildete Fühleinrichtung vorgesehen ist, daß eine der Elektrodensätze (5,6) für die Polarisierung der in der Suspension vorhandenen Ionenverteilungen zuständig ist, die in der Nähe der Elektroden strömt, und daß die andere für die Ermittlung eines Signals nach Maßgabe der Änderung der Ionenverteilung zuständig ist, die durch die Bewegung der Suspension verursacht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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der für die Polarisierung zuständige Elektrodensatz wenigstens zwei Elektroden (5>6) umfaßt, von denen eine (6) die Funktion einer Erdungsbezuggröße hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Ermittlung zuständige Elektrodensatz wenigstens eine Elektrode (4) aufweist, die die Aufgabe hat, das von der Gleichstromkomponente relativ zu der Gesamtbewegung der Suspension und das von der Wechselstromkomponente gebildete Signal zu erfassen, das insbesondere kennzeichnend für die Flugablagerung (die bewegliche Dünnenerscheinung) ist.

4". Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierungseleketroden (5,6) und die Ermittlungselektroden (4) eine Anordnung mit einer Axialsymmetrie bilden, so daß sich eine Fühleinrichtung ergibt, die in bezug zu der Strömungsrichtung der Suspension unempfindlich ist (Fig. 3).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierungselektroden und die Ermittlungselektroden eine Anordnung bilden, die keine axiale Symmetrie aufweist, so daß sich eine Fühleinrichtung bildet, die empfindlich für die Strömungsrichtung der Suspension ist.

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