DE3712359A1 - Vorrichtung zum feinblasigen einbringen eines unter druck stehenden gases - Google Patents

Description

Vorrichtung zum feinblasigen Einbringen eines unter Druck stehenden Gases, die mittels eines Schiffes oder einer anderen schwimmenden Einrichtung in einem stehenden oder fließenden Gewässer unter Wasser bewegt wird, bestehend aus einem in diesem parallel zur Bewegungsrichtung angeordneten Venturi­ rohr, in dessen Düsenhals ein Gasinjektor mündet, und dem mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr mit größerem Querschnitt nachgeschaltet ist, in dessen Düsen­ hals das freie Ende des ersten Venturirohres hineinragt, und daß die Wandungen der Venturirohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist.

Eine Vorrichtung dieser Art ist z. B. durch die deutsche Patent­ schrift 25 44 430 bekanntgeworden. Diese bekannte Vorrich­ tung zum selbsttätigen, künstlichen Belüften eines fließenden Gewässers besteht aus mindestens zwei Venturirohren, die in der oben beschriebenen Weise ausgebildet und hintereinander­ geschaltet sind. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäß ausge­ bildeten Venturirohre so dimensioniert, daß ihr Diffusoröffnungs­ verhältnis, das definiert ist als das Verhältnis von (Ausgangs­ querschnitt des Diffusors/Kleinster Querschnitt des Düsenhalses), einen in Versuchen ermittelten optimalen Wert besitzt. Wird diese Vorrichtung achsparallel zur Strömungsrichtung in einem fließenden Gewässer angeordnet, dann erfährt das durch die Vor­ richtung strömende Wasser im Düsenhals des ersten Venturirohres eine derartige Geschwindigkeitssteigerung, daß die Strömung im Düsenhals eine um den Faktor 3,5-5 höhere Geschwindigkeit aufweist als das fließende Gewässer, in dem die Vorrichtung angeordnet ist. Durch die Wirkung der Geschwindigkeitssteigerung wird im Düsenhals des ersten Venturirohres ein Unterdruck er­ zeugt, der bewirkt, daß der in den Düsenhals mündende Luft­ injektor Luft aus der Atmosphäre ansaugt und sie dem durch die Vorrichtung strömenden Wasser in feinblasiger Form beimischt.

Sollen pro Zeiteinheit große Mengen eines unter Druck stehen­ den Gases, beispielsweise 400 Kubikmeter Sauerstoffgas pro Stunde, feinblasig in ein stehendes oder fließendes Gewässer eingebracht werden, so wird eine große Ausführung der bekann­ ten Vorrichtung benötigt, die mittels eines Schiffes oder einer anderen schwimmenden Einrichtung mit einer Geschwindigkeit von z. B. 1,5-2 Meter pro Sekunde unter Wasser bewegt wird, so daß die Vorrichtung pro Zeiteinheit von einer großen Wasser­ menge, z. B. 10-20 Kubikmeter Wasser pro Sekunde, durchflossen wird. In einer derart großen Ausführung der bekannten Vorrich­ tung legen die Gasblasen bis zu ihrem Austritt aus dem Diffusor, z. B. des ersten Venturirohres, eine wesentlich längere Strecke zurück als in dem kurzen Diffusor einer sehr viel kleineren Vorrichtung. Da die Wasserströmung beim Durchströmen des Diffu­ sors erheblich verlangsamt wird, und die in der Wasserströmung enthaltenen Gasblasen einen Auftrieb erfahren, steigt ein Teil von ihnen beim Durchqueren des langen Diffusors des ersten Venturirohres bis zur oberen Wandung desselben auf, wo sie nach dem Auftreffen haften bleiben und zu großen Gasblasen sich vereinigen können. Die auf diese Weise im oberen Teil des Diffusors entstehenden Gasansammlungen verhindern nicht nur, daß die gesamte, der Vorrichtung zugeführte Gasmenge feinblasig in die Strömung eingebracht wird, sondern sie beeinträchtigen auch in erheblichem Maße den Wirkungsgrad des Diffusors, d. h. seine Fähigkeit, kinetische Strömungsenergie in Druckenergie umsetzen zu können. Ein schlechter Wirkungsgrad des Diffusors aber führt zu einem Verlust an Strömungsenergie und damit zu einer starken Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit insbesondere im Düsenhals des ersten Venturirohres. Eine geringere Strömungs­ geschwindigkeit im Düsenhals bewirkt jedoch eine Vergrößerung der von den Injektoren erzeugten Gasblasen, was zur Folge hat, daß die Größe der spezifischen Phasengrenzfläche Gas-Wasser und folglich auch der Stoffübergang aus den Gasblasen in das die Blasen umgebende Wasser abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art so auszubilden, daß diese die aufgezeig­ ten Nachteile nicht mehr aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Diffusoröffnungsverhältnis des nachgeschalteten Venturirohres größer ist als das des ersten Venturirohres oder mindestens so groß ist wie das des ersten Venturirohres.

Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Vorrichtung wird die Blasenkoaleszenz im Diffusor des ersten Venturirohres dadurch unterbunden, daß infolge des kleinen Diffusoröffnungsverhält­ nisses die Strömung im Diffusor des ersten Venturirohres in weit geringerem Maße verlangsamt wird als dies bei der bekann­ ten Vorrichtung der Fall ist, und daß aufgrund des hohen Unter­ drucks im Düsenhals des nachgeschalteten, mit einem großen Diffusoröffnungsverhältnis ausgestatteten Venturirohres die Strömung sehr rasch aus dem Diffusor des ersten Venturirohres herausgesaugt wird. Die Gasblasen steigen in der sehr kurzen Zeitspanne, während der sie sich im Diffusor des ersten Venturi­ rohres befinden, nur um kleine Strecken in der Wasserströmung empor, so daß die Gasblasen den Diffusor durchqueren ohne mit der oberen Wandung des Diffusors in Kontakt zu kommen. Gas­ blasen, die dennoch auf die obere Wandung des Diffusors auf­ treffen, weil sie dicht unterhalb der oberen Wandung dem Aus­ gang des Diffusors zuströmen, bleiben wegen der hohen Geschwin­ digkeit der Strömung nicht an der Wandung haften.

Beim Durchströmen des mit einem großen Diffusoröffnungsverhält­ nis versehenen Diffusors des nachgeschalteten Venturirohres wird die Geschwindigkeit der Strömung sehr stark verlangsamt. Da die Geschwindigkeit der Strömung in dem Maße abnimmt, wie der Strömungsquerschnitt zunimmt, besitzt die Strömung kurz vor ihrem Austritt aus dem Diffusor ihre niedrigste Geschwin­ digkeit. Dies hat zur Folge, daß die in der Strömung nach oben aufsteigenden Gasblasen umso größere Strecken pro Zeiteinheit zurücklegen, je mehr sie sich dem Ausgang des Diffusors nähern.

Demnach ist die Gefahr, daß die aufsteigenden Gasblasen auf die obere Wandung des Diffusors auftreffen und dort zu großen Gasblasen sich vereinigen, nahe dem Ausgang des Diffusors am größten. Die Bildung großer Gasblasen im Diffusor würde je­ doch eine erhebliche Verschlechterung des Wirkungsgrades des Diffusors bewirken.

Um zu verhindern, daß die Gasblasen auf die obere Wandung des Diffusors des nachgeschalteten Venturirohres auftreffen, ist vorgesehen, daß bei fest vorgegebenen Werten für den Öffnungs­ winkel und für die Länge des Diffusors die Breite des oberen Düsenspaltes so bemessen wird, daß die aus den unterschied­ lichen Abständen der Hinterkanten der oberen Wandungen von der Vorrichtungsachse sich ergebende Strecke größer ist als die aus dem Produkt von mittlerer Aufstiegsgeschwindigkeit und mittlerer Verweilzeit der Gasblasen im Diffusor errechnte gesamte Aufstiegstrecke der Gasblasen.

Mittels dieser konstruktiven Maßnahme wird ein Auftreffen der Gasblasen auf die obere Wandung des Diffusors des nachgeschal­ teten Venturirohres unterbunden.

Da die Vorrichtung insbesondere dem Zweck dient, große Mengen eines Gases, z. B. Sauerstoffgas, pro Zeiteinheit in ein stehen­ des oder fließendes Gewässer feinblasig einzubringen, ist die Vorrichtung für einen hohen Wasserdurchsatz auszulegen, d. h. die Venturirohre sind mit großen Querschnitten auszustatten. Außerdem soll die Vorrichtung auch in Gewässern mit geringen Wassertiefen von z. B. 1,5 Meter eingesetzt werden können.

Um diese Forderungen zu erfüllen, ist vorgesehen, die Venturi­ rohre als ebene Venturirohre auszubilden.

Ebene Venturirohre sind Venturirohre mit rechteckigem Quer­ schnitt. Sie werden als ebene Venturirohre bezeichnet, weil von den vier Wandungen eines Venturirohres zwei gegenüber­ liegende Wandungen so profiliert sind, daß sie im Längsschnitt gesehen als zwei spiegelbildlich angeordnete ebene Tragflügel erscheinen, während der Raum zwischen den beiden profilierten Wandungen von den beiden anderen Wandungen, die glatt und nicht profiliert sind, seitlich abgeschlossen ist. Ebene Venturirohre haben den Vorteil, daß sie einfach und kosten­ sparend hergestellt werden können.

Da das nachgeschaltete ebene Venturirohr über ein größeres Diffusoröffnungsverhältnis und über einen größeren Quer­ schnitt als das erste ebene Venturirohr verfügt, ist die Länge des nachgeschalteten Venturirohres größer als die des ersten Venturirohres oder mindestens so groß wie die des ersten Venturirohres.

Versuche mit erfindungsgemäß ausgebildeten, unterschiedlich großen Modellvorrichtungen haben ergeben, daß es vorteilhaft ist, das Diffusoröffnungsverhältnis des ersten ebenen Venturi­ rohres bei sehr großen Vorrichtungen mit Werten zwischen 1,2 und 1,4 und bei kleineren Vorrichtungen mit Werten zwischen 1,4 und 1,55 auszustatten, und das Diffusoröffnungsverhältnis des nachgeschalteten ebenen Venturirohres so zu wählen, daß sein Wert größer/gleich 1,5 beträgt und stets größer ist als der des ersten ebenen Venturirohres.

Die Versuche haben ferner gezeigt, daß die mit ebenen Venturi­ rohren ausgerüstete Vorrichtung nur dann mit Erfolg betrieben werden kann, wenn sie von Wasser mit Geschwindigkeiten von 1,5-2 Meter pro Sekunde angeströmt wird. Erst bei Anström­ geschwindigkeiten von 1,5-2 Meter pro Sekunde werden im Düsenhals des ersten ebenen Venturirohres Strömungsgeschwindig­ keiten von 3-4,5 Meter pro Sekunde erzielt, die notwendig sind, damit das der Vorrichtung unter Druck zugeführte und über die Düsenbohrungen der Injektoren in die Strömung durch den Düsenhals eintretende Gas in sehr kleine Gasblasen zer­ teilt werden kann.

Wenn das erste Venturirohr eine sehr große Weite des Düsen­ halses aufweist, wird die Wasserströmung beim Durchströmen der Vorrichtung nicht über den gesamten Strömungsquerschnitt von Gasblasen durchmischt.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist vorgesehen, neben den bereits im Düsenhals angeordneten, in die profilierten Wan­ dungen eingearbeiteten Injektoren weitere Injektoren im Düsenhals des ersen Venturirohres anzuordnen, so daß der in das erste Venturirohr eintretende Wasserstrom über den ge­ samten Strömungsquerschnitt mit Gasblasen angereichert wird. Diese zusätzlichen Injektoren sind in Träger eingearbeitet, die im Längsschnitt gesehen nach Art eines schmalen Tragflügels profiliert sind, dessen Profilmittellinie dem Stromlinienver­ lauf im Düsenhals und im Diffusor des ersten Venturirohres angepaßt ist. Die mit den Injektoren ausgerüsteten Träger sind an den seitlichen Wandungen des ersten Venturirohres befestigt.

In den Versuchen hat sich herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, die im Düsenhals des ersten Venturirohres eingebauten Injektoren so anzuordnen, daß sie sich bis in den Anfang des Diffusors erstrecken. Dadurch wird erreicht, daß die aus den Düsenbohrungen der Injektoren austretenden sehr dünnen Gas­ strahlen sich nicht überlagern und zu dickeren Gasstrahlen vereinigen, was die Erzeugung sehr kleiner Gasblasen erheblich beeinträchtigen würde.

Die Zeichnungen in Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Vorrichtung:

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung. Die Vor­ richtung besteht aus dem ersten Venturirohr 1 und dem nachge­ schalteten Venturirohr 2. Das erste Venturirohr 1 wird von den profilierten Wandungen 10, 11 und das nachgeschaltete Venturirohr 2 von den profilierten Wandungen 20, 21 gebildet.

Die seitlichen Wandungen der Venturirohre 1 und 2 sind glatt und nicht profiliert. Die Injektoren 4, 5 sind in die profilier­ ten Wandungen 10, 11 eingearbeitet. Die Wandungen 10, 11 sind symmetrisch in bezug auf die Vorrichtungsachse 26 angeordnet. Weist der Düsenspalt 13 die gleiche Breite auf wie der Düsen­ spalt 15, dann sind auch die Wandungen 20, 21 symmetrisch bezüg­ lich der Vorrichtungsachse 26 angeordnet. Der Diffusor 9 des Venturirohres 2 ist mit dem Öffnungswinkel δ versehen.

Das Wasser tritt durch den Eingangsquerschnitt 7 sowie durch den oberen Düsenspalt 13 und den unteren Düsenspalt 15 in die Vorrichtung ein. Im Düsenhals 3, wo die Strömung durch das Venturirohr 1 ihre höchste Geschwindigkeit erreicht, wird mit Hilfe der Injektoren 4, 5 das Gas feinblasig in die Wasserströ­ mung eingebracht. Ein Teil der kinetischen Strömungsenergie wird im Diffusor 6 in Druckenergie umgewandelt. Infolge des hohen Unterdrucks im Düsenhals 8 des nachgeschalteten Venturi­ rohres 2 wird die aus einem Gas-Wasser-Gemisch bestehende Strömung sehr rasch durch den Ausgangsquerschnitt 12 aus dem Diffusor 6 herausgesaugt. Der größte Teil der kinetischen Energie der Strömung wird im Diffusor 9 in Druckenergie um­ gesetzt, wobei die Geschwindigkeit der Strömung stark verlang­ samt wird. Die Breite des oberen Düsenspaltes 13 ist so be­ messen, daß ein Auftreffen der in der Strömung im Diffusor 9 aufsteigenden Gasblasen auf die obere Wandung 20 verhindert wird. Die Strömung tritt durch den Austrittsquerschnitt 22 aus dem Diffusor 9 aus, und wird dem die Vorrichtung umgebenden Wasser beigemischt.

Fig. 2 stellt ebenfalls einen Längsschnitt durch die Vorrichtung dar. Zusätzlich zu den Injektoren 4 und 5, mit denen die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ausgerüstet ist, sind im Düsenhals 3 weitere Injektoren 16, 17, 18 angeordnet, um die gesamte, durch das Venturirohr 1 strömende Wassermenge mit Gas anreichern zu können. Die Injektoren 16, 17, 18 sind in tragflügelähnlichen Trägern 23, 24, 25 untergebracht, deren Profilmittellinie dem Stromlinienverlauf im ersten Venturirohr 1 angepaßt ist.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 in dimetri­ scher Darstellung. Die Zeichnung veranschaulicht den Aufbau der Vorrichtung aus ebenen Venturirohren 1 und 2. Die Venturi­ rohre 1, 2 sind durch vertikal verlaufende Stegbleche 19 unter­ teilt, die verhindern sollen, daß aufgrund des in den Venturi­ rohren 1, 2 sich einstellenden Unterdrucks die profilierten Wandungen der Venturirohre 1, 2 eine Durchbiegung erfahren, und die der gesamten Vorrichtung die notwendige mechanische Festig­ keit verleihen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum feinblasigen Einbringen eines unter Druck stehenden Gases, die mittels eines Schiffes oder einer anderen schwimmenden Einrichtung in einem stehenden oder fließenden Gewässer unter Wasser bewegt wird, bestehend aus einem in diesem parallel zur Bewegungsrichtung ange­ ordneten Venturirohr, in dessen Düsenhals ein Gasinjektor mündet, und dem mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr mit größerem Querschnitt nachgeschal­ tet ist, in dessen Düsenhals das freie Ende des ersten Venturirohres hineinragt, und daß die Wandungen der Venturi­ rohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusoröffnungsverhältnis des nachgeschalteten Venturirohres (2) größer ist als das des ersten Venturi­ rohres (1) oder mindestens so groß ist wie das des ersten Venturirohres (1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei fest vorgegebenen Werten für den Öffnungswinkel (w ) und für die Länge des Diffusors (9) die Breite des oberen Düsen­ spaltes (13) so bemessen wird, daß die aus den unterschied­ lichen Abständen der Hinterkanten der oberen Wandungen (10), (20), von der Vorrichtungsachse (26) sich ergebende Strecke (14) größer ist als die aus dem Produkt von mittlerer Auf­ stiegsgeschwindigkeit und mittlerer Verweilzeit der Gasbla­ sen im Diffusor (9) errechnete gesamte Aufstiegsstrecke der Gasblasen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Venturirohr (1) und das nachgeschaltete Venturirohr (2) als ebene Venturirohre ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Länge des nachgeschalteten Venturi­ rohres (2) größer ist als die des ersten Venturirohres (1) oder mindestens so groß ist wie die des ersten Venturi­ rohres (1).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Düsenhals (3) des ersten Venturi­ rohres (1) zusätzlich zu den in die Wandungen (10), (11) eingearbeiteten Injektoren (4), (5) ein oder mehrere In­ jektoren (16), (17), (18) angeordnet sind, deren Träger (23), (24), (25) im Längsschnitt gesehen nach Art eines schmalen Tragflügels profiliert sind, dessen Profilmittellinie dem Stromlinienverlauf im Düsenhals (3) und im Diffusor (6) angepaßt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Injektoren (4), (5), (16), (17), (18) vom Düsenhals (3) bis in den Diffusor (6) sich erstrecken.