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Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen
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von Schwebstoffen aus einer schwebstoffbeladenen Flüssigkeit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Schwebstoffen aus einer schwebstoffbeladenen
FlUssigkeit. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausübung dieses
Verfahrens, rramlich zum Abtrennen von Schwebstoffen aus einer schwebstoffbeladenen
Flüsaigkeit mit Mitteln zur Beeinflussung der Str8mungsgeschwindigkeit der schwebstoffbeladenen
Flüssigkeit.
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Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit dem Problem, aus
geschiebeführenden und schwebstoffbeladenen Gewässern die mitgeführte Schwebfracht
zu beseitigen. Dies ist deswegen erwünscht, weil die Gcschiebe- und Schwebfracht
des Wassers, welches durch Einrichtungen wie Kraftwerke, Kläranlagen geleitet wird,
innerhalb kurzer Zeit zu starken Verschleißerscheinungen führt. Daraus ergeben sich
wesentliche Verschleohterungen des Wirkungsgrads und die Gefahr der Zerstörung von
beispielsweise Turbinen. Während die Abtrennung der groberen Komponente, dem sogenannten
Geschiebe, der Schiebe- und Schwebfracht mit verhältnismäßig geringem Aufwand mittels
Rechen- oder Geschiebeschwellen durchgeführt werden kann, bereitet die Abtrennung
der Kornfraktion mit einem Korndurchmesser von unter einem Millimeter größere Schwierigkeiten.
Diese Kornfraktion stellt jedoch den größeren Anteil der in Fließgewässern transportierten
Schwebfracht.
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Zum Abtrennen der feineren Anteile der Schwebfracht aus einer schwebstoffbeladenen
Flussigkeit ist ein
Verfahren bekannt, dessen Prinzip darauf beruht,
daß die Strömungsgeschwindigkeit des die Schwebstoffe transportierenden Wassers
auf einen Wert unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit herabgesetzt wird, und
zwar annähernd gleichmABig über den Strömungsquerschnitt (Mosonyi, 1966, Band II,
S. 39 ff). Die kritische Geschwindigkeit wird dabei nach der Beziehung
errechnet, wobei v die kritische Geschwindigkeit, a eine Konstante und d der Korndurehmeßser
ist. Bei einer nach dieser Beziehung dimensionierten Entsandung erfolgt die Sedimentation
der Schwebfracht am Boden. - Dieses bekannte Verfahren und der nach diesem Verfahren
wirkende Entsander eignen sich Jedoch verhältnismäßig schlecht zur Abtrennung der
Schwebfracht mit einem Korndurchmesser von unter einem Millimeter. Um eine feinere
Schwebfracht aus dem Wasser zu beseitigen und trotzdem einen genügend großen Durchfluß
zu erreichen, müssen die Stramungsquerschnitte des Entßanders sehr groß sein, so
daß dieser unrealistische und unwirtschaftliche Ausmaße erhält. Als Kompromiß hat
man sich daher mit einem Wirkungsgrad begnügt, der um 5 , lag. Neben dem geringen
Wirkungsgrad dieser bekannten Entsander erfordert die Entfernung der sedimentierten
Schwebfracht, die auf dem Boden des Entsanders praktisch ruht, einen erheblichen
konstruktiven Aufwand oder aber einen großen Arbeitsaufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum
Abtrennen von Schwebstoffen aus einer schwebstoffgeladenen Flüssigkeit zu schaffen,
das
die Ausscheidung der Schwebstoffe auch kleineren Korndurchmessers
mit gutem Wirkungsgrad auch bei hohen Flüssigkeitsdurchsätzen in dem Strömungsquerschnitt,
d.h. bei hoher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht Außerdem soll nach
diesem Verfahren die von dem Gewässer abgetrennte Schwebfracht in einfacher Weise
entfernt werden können. - Die nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung - ein
Entsander - soll sich durch ein geringes Bauvolumen und den Einsatz wenig aufwendiger
technischer Mittel zum Entfernen der abgetrennten Schwebfracht auszeichnen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird von einer an sich bekannten Erscheinung
Gebrauch gemacht, daß sich Geschiebe in Krümmungen von Flief3gewässern entmischen
(Mosonyi, Band I, 1966, Seite 248 ff). Bei dieser Entmischung werden grobe Körner
bevorzugt an einer Strdmungsaußenseite transportiert, während sich die feineren
Partikel der Schwebfracht an der Innenseite der Krümmung bewegen. - Diese Erscheinung
ist Jedoch bisher noch nicht dafür herangezogen worden, Schwebfracht mit Partikeln
kleinerer Korndurchmesser aus einer Flüssigkeit zu entfernen und abzuführen.
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Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Verfahren zum
Abtrennen von Schwebstoffen aus einer schwebstoffbeladenen Flüssigkeit dadurch gelöst,
daß die Flüssigkeit in einer spiralförmigen Bahn von außen nach innen geleitet wird,
so daß an der Innenseite der Bahn die Schwebfracht sedimentiert und daß die dabei
von dem Flüssigkeitsstrom abgetrennte sedimentierte Schwebfracht durch den Flüssigkeitsstrom
an der Innenseite der Bahn entlang bis zu mindestens einer Entnahmestelle
transportiert
wird, durch die sie abgeführt wird.
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Nach diesem Verfahren werden die Schwebstoffe vorteilhaft dadurch
sedimentiert, daß, bedingt durch die Zentrifugalkraft, der größte Teil der Flüssigkeit
mit hoher Geschwindigkeit an der Außenwand der spiralförmigen Bahn in Richtung der
Entnahmestelle, die im Innern der Spirale liegt, entlangströmt, wobei sich an der
Innenwand der Spiralwindung nur eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit einstellt.
Die Schwebstoffe sedimentieren infolge dieses Geschwindigkeltßprofila über dem Querschnitt
der spiralförmigen Bahn an der Innenseite und werden nur noch im rollenden Transport
in Richtung auf die Entnahme stelle weiterbewegt. Durch die in Wasserlaufkrümiungen
auStretenden Flechtströmungen wird dabei wiederholt Flüssigkeit aus dem Außenbereich
zur Innenseite der spiralförmigen Bahn gebracht und sedimentiert dort aufgrund der
wesentlich geringeren Strömungsgeschwindigkeit die Schwebfracht.
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Die Sedimente bewegen sich in Form einer 8andbank an der Innenseite
der Spiralwindung fort. Durch eine oder mehrere Entnahme stellen an der Spiralinnenseite
wird die Sandbank vom Wasserstrom abgetrennt und abgeftihrt. Der nunmehr schwebstoffreie
Teil des Wassers bzw. der Flüssigkeit kann seiner Benutzung durch eine weitere in
Strömungsrichtung folgende Entnahmestelle zugeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der
hohe Wirkungsgrad der Sedimentierung, so daß bei vergleichsweise kleinem Volumen
der zur Ausübung des Verfahrens benutzten spiralförmigen Bahn mit verhältnismäßig
großen Strdmungßgeschwindigkeiten und einem entsprechend hohen Durchsatz gearbeitet
werden kann. Vorteilhaft
ist weiter, daß die Abführung des sedimentierten
Schwebstoffs praktisch selbstffndig durch die rollende Bewegung entlang der Innenseite
der spiralförmigen Bahn zu der Entnahmestelle erfolgt. Infolge dieser automatischen
Aus spülung entfallen besondere Maßnahmen und Einrichtungen zur Entfernung der Schwebfracht
aus einem nach diesem Verfahren arbeitenden Entsander. Dieses Verfahren ist daher
besonders wirtschaftlich.
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Mit besonders geringem Aufwand ist das Verfahren durchführbar, wenn
die sedimentierte Schwebfracht kurz vor der Entnahmestelle der schwebstoffbefreiten
Flüssigkeit an einer Stelle an der Innenseite der Bahn abgetrennt und abgeführt
wird. - Hier ist also nur eine einzige Entnahmestelle für die Schwebfracht erforderlich.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die sedimentierte
Schwebfracht an mehreren Entnahmestellen, die im Abstand zueinander vor der Entnahme
stelle der schwebstoffbefreiten Flüssigkeit entlang der Innenseite der Bahn angeordnet
sind, abgetrennt und abgeführt wird. - Hier wird eine besonders gleichmäßige und
vollstAndige Abführung der Schwebfracht erzielt. Die einzelnen Entnahmestellen können
dabei einen verhältnismäßig geringen Querschnitt aufweisen. Dabei ist vorteilhaft,
daß die Schwebfracht nicht als Sandbank entlang der praktisch gesamten spiraligen
Bahnlänge transportiert werden muß, sondern zum größten Teil bereits vor der Entnahmestelle
der schwebstoffreien Flüssigkeit entfernt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abtrennen von Schwebstoffen aus
einer schwebstoffbeladenen Flüssigkeit mit Mitteln zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit
der schwebstoffbeladenen Flüssigkeit zeichnet sich dadurch aus, daß als Mittel zur
Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit
ein spiralförmiger
Kanal vorgesehen ist, der außen eine Einlaßöffnung für die schwebstofibeladene Flüssigkeit
und innen wenigstens eine Entnahmestelle für die schwebstoffreie Flüssigkeit aufweist,
und daß an der Innenwand des spiralförmigen Kanals wenigstens eine Entnahmestelle
für die sedimentoerte Schwebfracht stromaufwärts der Entnahmestelle der schwebstoffreien
Flüssigkeit vorgesehen ist.
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Diese Vorriohtung ermöglicht, wie bereits in dem Zusammenhang mit
dem Verfahren dargestellt, bei einem verhältnismäßig kleinen Bauvolumen einen hohen
Durchsatz der von den Schwebstoffen zu befreienden Flüssigkeit sowie eine selbsttätige
Abtrennung und Entnahme der sedimentierten Schwebfracht. Infolge dieses hohen Wirkungsgrades
zeichnet sich diese Vorrichtung durch einen verhältnismäi3ig geringen Bauaufwand
aus. Ferner ist der Aufwand zur Wartung dieser Vorrichtung infolge der selbsttätigen
Abtrennung und Entfernung der Schwebfracht aus der Vorrichtung gering.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung zum Abtrennen
von Schwebstoffen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit 4 Figuren
erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung in einer
Draufsicht, Figur 2 einen Schnitt in einer zur Draufsicht senkrechten Schnittebene
durch das Zentrum der Vorrichtung, die annähernd entsprechend der Ausfhhrungsform
nach Figur 1 ausgebildet ist, bei der Jedoch
die Ableitungskanäle
in einer Ebene liegend dargestellt sind, Figur 3 eine zweite Ausführungsform der
Vorrichtung in einer Draufsicht und Figur 4 einen Schnitt in einer zur Draufsicht
senkrechten Ebene durch das Zentrum der Vorrichtung ähnlich der Ausführungsforin
nach Figur 3, wobei Jedoch 4 Entnahmestellen des Schwebstoffs in der Schnittebene
liegen.
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In Figur 1 ist ein Entsander 1 mit einem spiralförmigen Kanal 2 dargestellt.
Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist die Wand 3 des spiralförmigen Kanals in Richtung
des Krummungsmittelpunkts der Spirale stets eben, weist also keine zusätzliche trimmung
auf. Der Kanal verläuft von einer Einlaßöffnung 4, die außen liegt, nach innen zu
einer Entnahmestelle 5 der schwebstoffreien Flüssigkeit. Die Entnahmestelle liegt
somit im wesentlichen am Ende des spiralförmigen Kanals und mündet in einen nach
unten gerichteten Abschnitt 6 eines Ableitungskanals für die schwebstoffreie Flüssigkeit.
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Eine Entnahmestelle 7 für die Schwebstoffe ist kurz strom--voraufwärts
der Entnahmestelle 5 für die Flüssigkeit angeordnet. Diese Entnahmestelle 7 ist
so angeordnet, daß sie die an der Innenseite des Kanals sedimentierten Schwebstoffe
aufnehmen kann. Dazu ist gemäß Figur 1 eine zusätzliche Führungswand 8 vorgesehen,
welche den sedimentierten Schwebstoff von der Innenseite des Kanals zu der Entnahmestelle
7 geleitet. Die Entnahmestelle für die Schwebstoffe mUndet ebenfalls in einen senkrecht
nach unten gerichteten Abschnitt
9 eines Ableitungskanals.
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In Figur 1 ist mit dem Pfeil 10 angedeutet, in welcher Richtung die
schwebstoffbeladene FlUssigkeit in den dargestellten Entsander eingeleitet wird,
Die Flüssigkeit strömt entlang dem Kanal 2, wobei sich an dessen Innen seite eine
Sandbank 11 zunehmender Stärke absetzt, die an dieser Innenseite rollend bis zu
der zusätzlichen Wand 8 transportiert wird und von dieser in die Entnahmestelle
7 umgeleitet wird. Aus dem Ableitungskanal, der sich an die Entnahmestelle 5 anschließt,
fließt daher in Richtung des Pfeiles 11 eine annähernd schwebstoffrele Flüssigkeit,
während in Richtung des Pfeile 12 in den Ableitungskanal, der sich an die Entnahmestelle
7 anschließt, die Schwebfracht mit einem restlichen Flüssig keitsanteil strömt.
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Die Ausführungsforin der Vorrichtung nach Figur 3 und Figur 4, die
ebenfalls einen Entsander darstellt, unterscheidet sich von derjenigen nach den
Figuren 1 und 2 vor allem dadurchs daß hier mehrere Entnahmestellen 7 a - 7 f entlang
der lnnenseite des spiralförmigen Kanals 2 angeordnet sind.
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Vor der letzten Entnahmestelle für Schwebstoffe 7 f ist nucli hier
eine zusätzliche Wand 8 a angeordnet, die so gekHlmmt ist, daß sie die entlang der
Innenseite rol]end transportierte Sanduank 11 f in die Entnahme öffnung 7 f
leitet. Die nach unten führenden Abschnitte, zum Beispiel 9 d und 9 f, die sich
an die Entnahmeöffnungen anschließen, sind zu einem größeren Ableitungskanal, der
in Figur 4 jiorizontal gerichtet ist, zusemmengefaßt, so daß die gesamen Schwebstoffe
in Richtung des Pfeils 12 aus dem Entsander elbsttätig transportiert werden. Aus
Figur 3 ist ersichtlich, daß bei dieser Ausführungsform des Entsanders nicht eine
einzige sich vergrößernde Sandbank in
Strömungarichtung 10 entlang
der Innenseite des Kanals rollt, sondern daß hier eine Vielzahl kleinerer Sandbarke
ii 1 a - 1 Ii f gebildet wird, wobei Jede Sandbank im wesentlichen in die nachste
Eutnahmestelle des Schwebstoffs transportiert wird.
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In mehreren Modellversuchen mit unterschiedlicher Schwebstoflührung
und Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5 - 5 m pro Sekunde wurde festgestellt, daß
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren über 90 , der Schwebfracht abgetrennt werden.
Die Kornuntergrenze der Abtrennung erreicht mit einem Korndurchmesser kleiner 0,002
mm die Tonfraktion.
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Bei einer Abtrennung von 90 % der Schwebfracht ist durch die automatische
Spülung mit einem Flüssigkeltsverlust von 5 - 10 % der Ausgangsmenge der schwebstoffbeladenen
Fitlssigkeit zu rechnen.