DE3712359C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 angeord­ neten ersten Venturirohr, in dessen Düsenhals ein Gasinjek­ tor mündet und dem mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr mit größerem Querschnitt nachgeschaltet ist, in dessen Düsenhals das ausgangsseitige Ende des ersten Venturirohres hineinragt, wobei zwischen der Innenwandung des nachgeschalteten Venturirohres und der Außenwandung des ersten Venturirohres ein Spalt verbleibt, und daß die Wandungen der Venturirohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Trag­ flügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 25 44 430 bekanntgeworden. Diese be­ kannte Vorrichtung zum selbsttätigen, künstlichen Belüften eines fließenden Gewässers besteht aus mindestens zwei Venturi­ rohren, die in der oben beschriebenen Weise ausgebildet und hintereinandergeschaltet sind. Darüber hinaus sind die erfin­ dungsgemäß ausgebildeten Venturirohre so dimensioniert, daß ihr Öffnungsverhältnis, das definiert ist als das Verhältnis Ausgangsquerschnitt des Venturirohres/kleinster Quer­ schnitt des Düsenhalses, einen in Versuchen ermittelten opti­ malen Wert besitzt. Wird diese Vorrichtung achsparallel zur Strömungsrichtung in einem fließenden Gewässer angeordnet, dann erfährt das durch die Vorrichtung strömende Wasser im Düsenhals des ersten Venturirohres eine derartige Geschwindig­ keitssteigerung, daß die Strömung im Düsenhals eine um den Faktor 3.5-5 höhere Geschwindigkeit aufweist als das flie­ ßende Gewässer, in dem die Vorrichtung angeordnet ist. Durch die Wirkung der Geschwindigkeitssteigerung wird im Düsenhals des ersten Venturirohres ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß der in den Düsenhals mündende Gasinjektor Luft aus der Atmosphäre ansaugt und sie dem durch die Vorrichtung strömen­ den Wasser in feinblasiger Form beimischt.

Sollen pro Zeiteinheit große Mengen eines unter Druck stehen­ den Gases, z. B. 400 Kubikmeter Sauerstoffgas/Stunde, feinbla­ sig in ein stehendes oder fließendes Gewässer eingebracht werden, so wird eine große Ausführung der bekannten Vorrich­ tung benötigt, die mittels eines Schiffes oder einer anderen schwimmenden Einrichtung mit einer Geschwindigkeit von z. B. 1,5-2 Meter/Sekunde unter Wasser bewegt wird, so daß die Vorrichtung pro Zeiteinheit von einer großen Wassermenge, so z. B. von 10-20 Kubikmeter Wasser/Sekunde, durchflossen wird. In einer derart großen Ausführung der bekannten Vorrichtung legen die Gasblasen bis zu ihrem Austritt aus der Vorrichtung eine wesentlich längere Strecke zurück als in einer sehr viel kleineren Vorrichtung. Da die Wasserströmung beim Durchströmen des Diffusors erheblich verlangsamt wird, und die in der Was­ serströmung enthaltenen Gasblasen einen Auftrieb erfahren, steigt ein Teil von ihnen beim Durchqueren eines langen Diffu­ sors bis zur oberen Wandung desselben auf, wo sie nach dem Auftreffen haften bleiben und zu großen Gasblasen sich ver­ einigen können. Die auf diese Weise im oberen Teil eines Diffusors entstehenden Gasansammlungen verhindern nicht nur, daß die gesamte, der Vorrichtung zugeführte Gasmenge fein­ blasig in die Wasserströmung eingebracht wird, sondern sie beeinträchtigen auch in erheblichem Maße den Wirkungsgrad eines Diffusors, d. h. seine Fähigkeit, kinetische Strömungs­ energie in Druckenergie umsetzen zu können. Ein schlechter Wirkungsgrad des Diffusors aber führt zu einem Verlust an Strömungsenergie und damit zu einer Abnahme der Strömungs­ geschwindigkeit, insbesondere im Düsenhals des ersten Venturi­ rohres. Eine geringere Strömungsgeschwindigkeit im Düsenhals bewirkt jedoch eine Vergrößerung der von dem Gasinjektor er­ zeugten 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 umgeben­ de Wasser abnimmt.

Insbesondere beim Durchströmen des mit einem großen Öffnungs­ verhältnis versehenen Diffusors des nachgeschalteten Venturi­ rohres wird die Geschwindigkeit der Strömung sehr stark ver­ langsamt. Da die Geschwindigkeit der Strömung in dem Maße abnimmt, wie der Strömungsquerschnitt zunimmt, besitzt die Strömung kurz vor ihrem Austritt aus dem Diffusor ihre niedrig­ ste Geschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß die in der Wasser­ strömung nach oben aufsteigenden Gasblasen umso größere Auf­ stiegsstrecken zurücklegen, je mehr sie sich dem Ausgang des Diffusors nähern. Demnach ist die Gefahr, daß die aufsteigen­ den Gasblasen auf die obere Wandung des Diffusors insbesondere des nachgeschalteten Venturirohres auftreffen und dort zu großen Gasblasen sich vereinigen, nahe dem Ausgangsquerschnitt des Diffusors am größten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß Gasansammlungen in den Venturirohren vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Öffnungsverhältnis (Ausgangsquerschnitt des Venturi­ rohres/kleinster Querschnitt des Düsenhalses) des nachge­ schalteten Venturirohres mindestens so groß ist wie das des ersten Venturirohres und daß die Breite des oberen Spaltes so bemessen wird, daß die Strecke, die sich aus dem senk­ rechten Abstand zwischen der Innenfläche des nachgeschalteten Venturirohres am Ausgangsquerschnitt und der Längsachse des Venturirohres ab­ züglich des senkrechten Abstandes zwischen der Innenfläche des ersten Venturirohres am Ausgangsquerschnitt und der Längsachse des Venturirohres ergibt, größer ist als die sich aus dem Produkt von mittlerer Aufstiegsgeschwindigkeit und mittlerer Verweil­ zeit der Gasblasen im nachgeschalteten Venturirohr ergebende Aufstiegsstrecke der Gasblasen.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung wird die Blasenkoaleszenz im Diffusor des ersten Venturirohres dadurch unterbunden, daß infolge des niedrigen Öffnungsverhältnisses die Wasserströmung im Diffusor des ersten Venturirohres in weit geringerem Maße verlangsamt wird als dies bei der be­ kannten Vorrichtung der Fall ist und daß aufgrund des hohen Unterdrucks im Düsenhals des nachgeschalteten, mit einem großen Öffnungsverhältnis ausgestatteten Venturirohres die Wasserströmung sehr rasch aus dem Diffusor des ersten Venturi­ rohres herausgesaugt wird. Die Gasblasen steigen in der sehr kurzen Zeitspanne, während der sie sich im Diffusor des er­ sten Venturirohres befinden, nur um kleine Strecken in der Wasserströmung empor, so daß die Gasblasen den Diffusor durch­ queren ohne mit der oberen Wandung in Kontakt zu kommen. Gas­ blasen, die dennoch auf die obere Wandung des Diffusors des ersten Venturirohres auftreffen, weil sie dicht unterhalb der oberen Wandung dem Ausgangsquerschnitt zuströmen, bleiben wegen der hohen Geschwindigkeit der Wasserströmung nicht an der Wandung haften. Um zu verhindern, daß die durch den Aus­ gangsquerschnitt des ersten Venturirohres in das nachgeschal­ tete Venturirohr eintretenden Gasblasen auf die obere Wandung des nachgeschalteten Venturirohres auftreffen, ist vorgesehen, daß bei fest vorgegebenen Werten für den Öffnungswinkel und die Länge des Diffusors die Breite des oberen Spaltes so be­ messen wird, daß die durch den oberen Spalt in das nachge­ schaltete Venturirohr einströmende Wasserschicht dick genug ist, um die in der Wasserströmung emporsteigenden Gasblasen von der oberen Wandung fernzuhalten.

Da die Vorrichtung insbesondere dem Zweck dient, pro Zeit­ einheit große Mengen eines Gases, z. B. Sauerstoffgas, in ein 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 glatten Wandungen seitlich abgeschlossen ist. Ebene Venturirohre haben den Vorteil, daß sie einfach und kostensparend hergestellt werden können. Da das nachgeschaltete ebene Venturirohr über ein größeres Öffnungsverhältnis und über einen größeren Querschnitt als das erste ebene Venturirohr verfügt, ist die Länge des nach­ geschalteten Venturirohres größer als die des ersten Venturi­ rohres oder mindestens so groß wie die des ersten Venturiroh­ res.

Versuche mit erfindungsgemäß ausgebildeten, unterschiedlich großen Modellvorrichtungen haben ergeben, daß es vorteilhaft ist, das Öffnungsverhältnis 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 Öffnungsverhältnis 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 ersten 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, 2 sind glatt und nicht profiliert. Die Injektoren 4, 5 sind in die profi­ lierten Wandungen 10, 11 eingearbeitet. Der Diffusor 9 des Venturirohres 2 ist mit dem Öffnungswinkel δ versehen. Das Wasser tritt durch den Eingangsquerschnitt 7 sowie durch den oberen Spalt 13 und den unteren Spalt 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 ver­ langsamt wird. Die Breite des oberen Spaltes 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 perspektivischer 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 (1)

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 angeordneten ersten Venturirohr, in dessen Düsenhals ein Gasinjektor mündet und dem mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr mit größerem Querschnitt nachgeschaltet ist, in dessen Düsenhals das ausgangsseitige Ende des ersten Venturirohres hineinragt, wobei zwischen der Innenwandung des nachgeschalteten Venturirohres und der Außenwandung des ersten Venturirohres ein Spalt verbleibt, und daß die Wandungen der Venturirohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflü­ gels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnungsverhältnis (Ausgangsquerschnitt des Venturi­ rohres/kleinster Querschnitt des Düsenhalses) des nachgeschal­ teten Venturirohres (2) mindestens so groß ist wie das des ersten Venturirohres (1) und daß die Breite des oberen Spal­ tes (13) so bemessen wird, daß die Strecke (14), die sich aus dem senkrechten Abstand zwischen der Innenfläche des nachge­ schalteten Venturirohres (2) am Ausgangsquerschnitt und der Längsachse (26) des Venturirohres (2) abzüglich des senkrechten Abstandes zwischen der Innenfläche des ersten Venturirohres (1) am Ausgangsquer­ schnitt und der Längsachse (26) des Venturirohres (1) ergibt, größer ist als die sich aus dem Produkt von mittlerer Aufstiegsgeschwindigkeit und mittlerer Verweilzeit der Gasblasen im nachgeschalteten Venturirohr (2) ergebende Aufstiegsstrecke der Gasblasen.