DE3503486C2 - Abscheidevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine sich selbst reinigende Ab­ scheidevorrichtung und insbesondere eine Abscheidevor­ richtung, die zwei oder mehr Bestandteile in einem mehr­ phasigen Strömungsmittelsystem entsprechend den unter­ schiedlichen spezifischen Gewichten dieser Bestandteile trennt, wobei die Abscheidevorrichtung die Fähigkeit hat, einen der beiden Bestandteile automatisch abzuführen.

Der Schaden, der von teilchenförmigem Material wie z. B. Sand, Ton und anderen Fremdkörpern in einem Strömungs­ mittel wie Wasser angerichtet wird, ist bekannt. Derartige Schäden treten auch in ölströmen, hydraulischen Steueran­ lagen, Luftströmen, Rasensprühanlagen und zahllosen anderen Anwendungsbereichen auf. Die Abscheidevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wurde zunächst beim Abschei­ den von Sand aus Grundwasser eingesetzt, und sie wird der Einfachheit halber in Zusammenhang mit einer der­ artigen Anwendung beschrieben.

Sand und andere Abriebstoffe, die in einem Strom mitge­ nommen werden, haben zur Folge, daß Leitungen, Ventile und Pumpen rasch abnutzen. In einigen Fällen erfolgt die Verschmutzung so rasch, daß es nicht ökonomisch ist, die Quelle bzw. das Bohrloch weiter zu benutzen.

Außerdem sind derartige Abriebstoffe häufig so fein, daß es nahezu unmöglich ist, sie aus einem Strömungsmittel zu entfernen. Eine rasche Abnutzung verlangt, daß die Pumpen, Sprühvorrichtungen und zugehörigen Einrichtungen periodisch repariert oder ausgewechselt werden müssen. Solch eine Re­ paratur oder Auswechslung ist teuer und erfordert häufig, daß eine Pumpe aus einem mehrere tausend Fuß tiefem Bohr­ loch entfernt werden muß.

Das Problem, Sand oder anderes teilchenförmiges Material aus Strömungsmittel wie z. B. Wasser, das aus einem Bohr­ loch gepumpt wird, zu entfernen, ist seht langem bekannt. Zahlreiche Ab­ scheidevorrichtungen sind zu diesem Zweck entwickelt wor­ den, und es ist ein großer Aufwand zur Verbesserung dieser Abscheidevorrichtungen betrieben worden. Dennoch ist eine weitere Verbesserung erwünscht.

Beispielsweise gibt es zahlreiche mit hohem Wirkungsgrad arbeitende Abscheidevorrichtungen, die ihre Energie von einem Strömungsmittel beziehen, das die abzuscheidenden Teilchen mit sich trägt, und die sowohl in tiefen wie auch weniger tiefen Bohrlöchern arbeiten können. Beispiele für derartige Abscheidevorrichtungen sind in den US-PS 3 289 608, 3 512 651, 4 072 481, 4 140 638 und 4 148 735 der Anmelderin beschrieben. Alle dort gezeigten Abscheide­ vorrichtungen sind in der Lage, Festkörperteilchen aus einem Strömungsmittelstrom zu entfernen, selbst wenn sie tief unten in einem Bohrloch angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer verbesser­ ten Abscheidevorrichtung, die Sand oder anderes teilchen­ förmiges Material abführt, wenn es einmal aus dem Strömungs­ mittelstrom in einem Bohrloch oder einem anderen Sammel­ punkt ausgeschieden ist.

Die Abscheidevorrichtungen nach den oben genannten Patent­ schriften sind durchaus erfolgreich beim Abscheiden von Sand und dgl. aus einem Strömungsmittelstrom durch eine selbstinduzierte Zentrifugalwirkung; aber in vielen An­ wendungsbereichen sind sie nicht in der Lage, den Sand nach dem Abscheiden so effizient wie erwünscht abzuführen.

Einige der Patentschriften befassen sich mit dem Abführen des Sandes bzw. anderen teilchenförmigen Materialien. Die US-PS 3 289 608 beispielsweise offenbart ein Abführ­ system, bei dem eine Venturidüse mit einer Fremdkörper- Auslaßleitung verbunden ist. Die US-PS 4 140 638 zeigt ein handbetätigbares Ablaßventil, das die in der Vorrich­ tung gesammelten Ablagerungen abzieht. Die US-PS 4 148 735 wie auch weitere Druckschriften zeigen Rohre, die das teil­ chenförmige Material tief genug in ein Bohrloch abführen, um zu vermeiden, daß die Pumpe an die Flüssigkeit und das teilchenförmige Material nach oben saugt. Solche Rohre erfordern jedoch häufig übermäßig viel Platz in einem Bohrloch.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Abscheidevor­ richtung geschaffen werden, die Fremdkörper wie z. B. Sand aus einem Strömungsmittel abscheide und die abgeschiedenen Teilchen abführt. Insbesondere soll die Abscheidevorrich­ tung in der Lage sein, Sand und andere Abriebstoffe aus den Einlässen von Pumpen zu entfernen, die tief unten in Bohrlöchern oder anderen schwer zugänglichen Betriebsbe­ reichen angeordnet sind, wobei die abgeschiedenen Mate­ rialien in wirkungsvoller und zuverlässiger Weise abgeführt werden.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung sind in den Patentansprüchen angegeben.

Ein Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Abscheide­ vorrichtung besteht darin, daß sie keinen übermäßigen Platz für Abflußrohre erfordert, die sich im Bohrloch nach unten erstrecken, um Sand und tief genug abzulagern und um somit zu vermeiden, daß er durch die zugehörige Pumpe im Strömungsmittelstrom nach oben gezogen wird.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Abscheidevorrichtung ist eine Wirbelströmung aus Wasser vorgesehen, die Fremdkörper im Wasser auszentrifugiert, damit sie darin absinken können, wobei Mittel vorgesehen sind, die selbst­ tätig periodisch die Fremdkörper sammeln und die Vorrich­ tung von den angesammelten Fremdkörpern reinigen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient eine intermittierend betriebene Pumpe zum Sammeln des abgeschiedenen Sandes, wenn die Pumpe arbei­ tet, um eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit zum Ausscheiden der Abriebteilchen zu erzeugen, während gleichzeitig die sich setzenden Teilchen gesammelt werden und anschließend die gesammelten Teilchen aus der Vorrich­ tung gespült werden, wenn der Pumpenbetrieb unterbrochen wird.

Im übrigen zeichnet sich die erfindungsgemäß ausgebildete Abscheidevorrichtung durch hohe Lebensdauer, Wirtschaft­ lichkeit, Funktionssicherheit und hohen Wirkungsgrad aus.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Wasser-Bohrloch mit einer Abscheidevorrichtung und einer Pumpe, die im Bohrloch in Reihe geschaltet angeordnet sind, wobei am unteren Ende der Abscheidevorrichtung ein Ventil angeordnet ist, das abwechselnd Sand und andere Verunreinigungen sammelt und abführt;

Fig. 2 einen etwas vergrößerten axialen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 einen etwas vergrößerten Teilschnitt entsprechend dem unteren Ende der Fig. 2, wobei jedoch das Ven­ til in seiner Öffnungsstellung gezeigt ist.

In Fig. 1 ist ein Bohrloch 10 in einem Erdreich 11 ge­ zeigt, aus dem Wasser gepumpt wird.

Eine elektrisch betriebene Pumpe 14 ist im Bohrloch in Wasser untergetaucht, und wenn sie betätigt wird, pumpt sie Wasser aus dem Bohrloch. Die Pumpe 14 erzeugt somit intermittierend einen Wasserstrom, der nach oben durch eine Auslaßleitung 16 fließt.

Eine Abscheidevorrichtung 15 ist mit der Pumpe 14 in Reihe geschaltet. Die Pumpe arbeitet vorzugsweise in Abhängig­ keit von einem Druckfühler (nicht gezeigt) wie z. B. in einem Drucksystem und gibt gleichzeitig Wasser aus dem Bohrloch durch die Auslaßleitung 16 ab. Jede geeignete Pumpe 14 und Abscheidevorrichtung 15 können zu diesem Zweck verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch eine als Zentrifuge ausgebildete Abscheidevorrichtung benutzt, wie sie in den US-PS 3 568 837, 3 701 425, 3 963 073, 4 072 481, 4 120 795, 4 147 630 und 4 305 825 gezeigt ist; sie sind alle zu diesem Zweck ausgezeichnet geeignet, wenn sie periodisch oder intermittierend betrieben werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, besitzt die Abscheidevorrichtung 15 ein als Gehäuse dienendes zylindrisches Rohr 17 mit einem geschlossenen oberen Ende 18. In Nähe des oberen Endes, jedoch mit Abstand hierzu ist das Gehäuse mit mehreren Einlaßöffnungen 19 versehen, die vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise in einer gemeinsamen, zur Gehäuse­ achse senkrechten Ebene angeordnet sind und bezüglich eines zum Gehäuse konzentrischen Kreises tangential ver­ laufen. Jede gewünschten Anzahl von Einlaßöffnungen kann zur Erzielung des erwünschten Drall- bzw. Wirbeleffektes verwendet werden, selbst eine einzige Öffnung mag aus­ reichend sein.

Eine nach unten verlaufende Verlängerung der Auslaßlei­ tung 16 bildet eine Wirbelhülse 20, die koaxial und kon­ zentrisch zum oberen Endabschnitt des Rohres 17 angeord­ net ist. Mehrere Prallkörper 21, die wahlweise vorge­ sehen werden können, sind in radialen Ebenen bezüglich des Rohres 17 mit Abstand unterhalb der Wirbelhülse 20 angeordnet. Die Prallkörper 21 können durch Schrauben 22 oder andere zu diesem Zweck geeignete Mittel an Ort und Stelle gehalten werden. Ein Schaft 24 ist auf den Prall­ körpern 21 konzentrisch zum Rohr 17 angebracht und er­ streckt sich von dort nach oben, wobei er in einer kreis­ förmigen, strömungsabweisenden, zum Rohr 17 konzentri­ schen Platte 25 endet. Wie an sich bei Drucksystemen be­ kannt, wird eine Pumpe verwendet, die selbsttätig einge­ schaltet wird, wenn der Auslaßdruck unter einen vorge­ gebenen Wert abfällt, und die abgeschaltet wird, wenn der Auslaßdruck eine vorgegebenen höheren Wert erreicht.

Ein oder mehrere Deflektoren 29 können im unteren Endab­ schnitt des das Gehäuse bildenden Rohres 17 vorgesehen werden. Sie dienen dazu, die Bewegung des Wassers oder anderen Strömungsmittels zu beruhigen, um das Absetzen von Sand und anderem teilchenförmigen Material darin zu erleichtern. Wenn häufiger von "Sand und anderem teilchen­ förmigen Material" die Rede ist, so ist darauf hinzuwei­ sen, daß das aus dem Strömungsmittel abgeschiedene Ma­ terial irgendeine Substanz sein kann, die durch ein un­ terschiedliches spezifisches Gewicht abgeschieden werden kann.

Es wird nun insbesondere auf die Fig. 2 und 5 Bezug genom­ men. Eine Hülse 31 ist über das untere Ende des Rohres 17 gezogen. Ein ringförmiger Ventilsitz 32 ist mit der Hülse 31 einstückig ausgebildet und erstreckt sich vom unteren Ende der Hülse 31 nach außen. Ein zylindrischer Mantel 33 erstreckt sich vom Ventilsitz 32 konzentrisch zu diesem nach unten. Zueinander ausgerichtete Schrauben 37 erstrecken sich diametral durch die Hülsen 31 und das untere Ende des Rohres 17. Die Schrauben 37 dienen nicht nur zur Halterung der Hülsen 31 am Rohr 17, sondern auch zur Abstützung einer Basis 38, die konzentrisch zum Rohr 17 angeordnet ist und in die die Schrauben 37 eingeschraubt sind.

Ein Finger 39 erstreckt sich von der Basis 38 konzentrisch zum Rohr 17 nach unten und steht mit zwei gegensinnigen Mut­ tern 40 in Schraubeingriff, die gegenüberliegende Scheiben 42 gegen die gegenüberliegenden Seiten einer kreisförmigen Ventilscheibe bzw. Ventilklappe 43 drücken, die dem Ventil­ sitz 32 zugeordnet ist. Die Ventilklappe 43 besitzt eine im Rohr 17 nach oben weisende Oberseite, die am Ventilsitz 32 anliegt, um Sand und andere Fremdkörper aufzusammeln. Der Durchmesser der Ventilklappe 43 ist kleiner als der Innendurchmesser des Mantels 33, so daß, falls die Ventil­ klappe 43 nach unten vom Ventilsitz 32 abgehoben ist, ein Ringraum zwischen dem Rand der Ventilklappe 43 und der Hülse 31 die Möglichkeit bietet, daß Wasser und Sand an der Ventilklappe 43 vorbei nach unten gespült wird.

Die Betriebsweise des beschriebenen Ausführungsbeispiels dürfte bereits durch die obige Beschreibung klar sein und wird im folgenden kurz zusammengefaßt.

Die Pumpe 14 und die Abscheidevorrichtung 15 sind in dem Bohrloch 10 so angeordnet, daß sie im Wasser des Bohrlochs untergetaucht sind. Die Pumpe 14 saugt bei Betätigung Wasser durch die Einlaßöffnungen 19. Die Einlaßöffnungen 19 sind tangential zur Wirbelhülse 20 gerichtet und verleihen dem Wasser eine Wirbelbewegung, so daß das Wasser in einer Wir­ belströmung nach unten zum Reflektor 25 und von da nach oben und innen durch die Wirbelhülse 20 strömt, um abge­ zogen werden zu können. Wie aus den oben erwähnten Druck­ schriften bekannt, schleudert die in der Wirbelströmung auftretende Zentrifugalwirkung den Sand und die anderen Fremdkörper nach außen, wo sie im Rohr 17 allmählich ab­ sinken. Wenn das Wasser in seiner Wirbelbewegung nach unten gelangt, verringern die Prallkörper 21 den Drall, so daß sich der Sand und die anderen Fremdkörper absetzen können. Die Deflektoren 29, falls sie verwendet werden, dienen dem gleichen Zweck.

Wenn die Pumpe 14 betätigt wird, saugt sie Wasser durch die Einlaßöffnungen 19 mit ausreichender Geschwindigkeit, um die Ventilklappe 43 nach oben gegen den Ventilsitz 32 zu ziehen, wodurch das von dem Ventilsitz und der Ventil­ klappe gebildete Ventil geschlossen wird und eine nach oben gerichtete Auffangfläche zum Sammeln des Sandes und der anderen Fremdkörper bereitstellt, während die Pumpe weiterarbeitet. Somit setzen sich Sand und anderer Schmutz auf der Ventilklappe ab, wann immer die Pumpe arbeitet.

Der bei Betrieb der Pumpe 14 auftretende Druckunterschied auf gegenüberliegenden Seiten der Ventilklappe 43 ist aus­ reichend, um die Ventilklappe 43 in ihrer Schließstellung zu halten. Wenn der Betrieb der Pumpe unterbrochen wird, ist dieser Druckunterschied nicht länger vorhanden, und das Ventil öffnet, so daß der Schmutz im Bohrloch absin­ ken kann. Ein derartiges Absinken tritt auf, wenn die Pumpe 14 nicht arbeitet. Wenn die Pumpe betätigt wird und die Ventilklappe 43 sich wieder an den Ventilsitz 32 anlegt, sammelt sich wieder der Sand und anderer Schmutz auf der Ventilklappe 43 an, wobei das Schließen des Ven­ tils das Bohrloch 10 unterhalb der Ventilklappe 43 ab­ schirmt und keine langen Abflußrohre erforderlich sind, um den Sand in ausreichender Entfernung von der Abscheide­ vorrichtung 15 abzulagern.

Wenn der Betrieb der Pumpe unterbrochen wird, öffnet die Ventilklappe 43, wodurch Wasser und Sand, die sich oberhalb der Ventilklappe befinden, vom Mantel 33 aus nach unten abfließen können. Wenn die Pumpe 14 erneut betätigt wird, schließt die Ventilklappe 43 wieder auto­ matisch, wodurch das Bohrloch 10 bezüglich des Inhalts der Abscheidevorrichtung 15, der Pumpe 14 und der Wirbelhülse 20 gegen weitere Störungen abgeschirmt wird, bis die Pumpe anhält und die Ventilklappe wieder aufmacht.

Die Abscheidevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt somit in eleganter Weise den aus dem Strömungs­ mittelstrom abgeschiedenen Sand und anderen Schmutz, indem sie ihn ablagert, wenn die Pumpe nicht arbeitet, wodurch der Platzbedarf verringert wird, der andernfalls zur Auf­ nahme von langen Abflußrohren benötigt würde. Dadurch, daß die Funktionsfähigkeit von Pumpen und zugeordneten Sprüh­ vorrichtungen, Waschmaschinen, Geschirrspülern, Heißwasser­ erhitzern, Eismaschinenventilen und anderen zugehörigen Vorrichtungen erhalten bleibt, werden teure Reparaturen und Auswechslungen wie auch Ausfallzeiten vermieden. Die erfindungsgemäß ausgebildete Abscheidevorrichtung entfernt den Sand und andere Abriebstoffe aus dem gepumpten Wasser, ehe es in die Pumpe eintritt, wobei bis zu 98% des Sandes und anderen Schmutzes einer Maschengröße von 200 Mesh oder mehr entfernt werden, während die ausgeschiedenen Verun­ reinigungen in einfacher und ökonomischer Weise beseitigt werden.

Claims (4)

1. Abscheidevorrichtung mit einer im wesentlichen senkrechten Leitung, die in ein Strömungsmittel mit Verun­ reinigungen eintauchbar ist, deren spezifisches Gewicht größer ist als das des Strömungsmittels und die vom Strö­ mungsmittel abscheidbar sind, einer Saugeinrichtung, die das Strömungsmittel unter Zentrifugalwirkung durch die Leitung aufwärtsbewegt, und einem Ventil, das im unteren Endab­ schnitt der Abscheidevorrichtung angeordnet ist und aus einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung bewegbar ist, in der auf dem Ventil angesammelte Verunreinigungen nach unten abziehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (32, 43) als Klappenventil ausgebildet ist, das bei Betrieb der Saugeinrichtung (14, 20, 25) durch das aufwärtsbewegte Strömungsmittel in seiner Schließstellung gehalten und bei Unterbrechung des Betriebs der Saugeinrichtung (14, 20, 25) durch Schwerkraftwirkung der angesammelten Verunreinigungen in seine Öffnungsstellung bewegt wird.

2. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugeinrichtung (14, 20, 25) eine Zentrifuge umfaßt, die einen Einlaß (19) mit Abstand ober­ halb des unteren Endes der Leitung (17) und einen Auslaß (16) oberhalb des Einlasses (19) aufweist.

3. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugeinrichtung (14, 20, 25) eine intermittierend betriebene Pumpe (14) aufweist, deren Einlaß in dem Strömungsmittel untergetaucht und mit der Leitung (17) verbunden ist.

4. Abscheidevorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil­ klappe als zentral befestigte kreisförmige Scheibe (43) aus­ gebildet ist, die in der Schließstellung an einem ringför­ migen Ventilsitz (32) anliegt und in der Öffnungsstellung einen Ringraum zwischen dem Rand der Scheibe (43) und dem Ventilsitz (32) freigibt.