DE4330856A1

DE4330856A1 - Vorrichtungen zum feinblasigen Einbringen eines unter Druck stehenden Gases und ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtungen

Info

Publication number: DE4330856A1
Application number: DE4330856A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys Gehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-11
Filing date: 1993-09-11
Publication date: 1995-03-16

Description

Vorrichtungen 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 parallel zur Bewegungsrichtung angeordneten Venturirohr, in dessen Düsenhals ein Gasinjektor mündet, und dessen Wandungen im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, die gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweisen.

Eine ähnliche Vorrichtung ist durch die deutsche Patentschrift 37 12 359 bekanntgeworden, in der eine aus zwei hintereinandergeschalteten und parallel zur Bewegungsrichtung angeordneten Venturirohren bestehende Vorrichtung beschrieben ist, die mit einem in den Düsenhals des ersten Venturirohres mündenden Gasinjektor ausgerüstet ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist das Öffnungsverhältnis (Ausgangsquerschnitt des Venturirohres/kleinster Querschnitt des Düsenhalses) des nachgeschalteten Venturirohres mindestens so groß wie das des ersten Venturirohres, und die Breite des oberen Spaltes ist so bemessen, daß die Strecke, die sich aus dem senkrechten Abstand zwischen der Innenfläche des nachgeschalteten Venturirohres am Ausgangsquerschnitt und der Längsachse des Venturirohres abzüglich 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 Verweilzeit der Gasblasen im nach geschalteten Venturirohr und mittlerer Aufstiegsgeschwindigkeit ergebende Aufstiegsstrecke der Gasblasen.

Bei einer derart ausgebildeten Vorrichtung soll die Blasen koaleszenz im Diffusor des ersten Venturirohres dadurch unterbunden werden, daß infolge des kleinen Öffnungsverhältnisses die Wasserströmung im Diffusor des ersten Venturirohres in weit geringerem Maße verlangsamt wird als dies bei der durch die deutsche Patentschrift 25 44 430 schon bekanntgewordenen Vorrichtung der Fall ist und daß aufgrund des hohen Unterdruckes im Düsenhals des nachgeschalteten, mit einem großen Öffnungsverhältnis ausgestatteten Venturirohr die Wasserströmung 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 Venturirohres befinden, nur um kleine Strecken in der Wasserströmung empor, so daß die Gasblasen den Diffusor durchqueren, ohne mit der oberen Wandung in Kontakt zu kommen. Gasblasen, die dennoch auf die obere Wandung des Diffusors des ersten Venturirohres auftreffen, weil sie dicht unterhalb der oberen Wandung dem Ausgangs querschnitt zuströmen, bleiben wegen der hohen Geschwindigkeit der Wasserströmung nicht an der Wandung haften. Um zu verhindern, daß die durch den Ausgangsquerschnitt des ersten Venturirohres in das nachgeschaltete Venturirohr eintretenden Gasblasen auf die obere Wandung des nach geschalteten Venturirohres auftreffen, ist vorgesehen, daß bei fest vorgegebenen Werten für den Öffnungswinkel und für die Länge des Diffusors die Breite des oberen Spaltes so bemessen wird, daß die durch den oberen Spalt in das nachgeschaltete Venturirohr einströmende Wasserschicht dick genug ist, um die in der Wasserströmung emporsteigenden Gasblasen von der oberen Wandung fernzuhalten.

Versuche mit unterschiedlich großen Modellvorrichtungen haben ergeben, daß es vorteilhaft ist, das Öffnungsverhältnis des ersten Venturirohres bei sehr großen Vorrichtungen mit Werten zwischen 1,2 und 1,4 und bei kleineren Vor richtungen mit Werten zwischen 1,4 und 1,55 auszustatten und das Öffnungsverhältnis des nachgeschalteten Venturirohres so zu wählen, daß sein Wert größer/gleich 1,5 beträgt und stets größer ist als der des ersten Venturirohres. Die Versuche haben ferner gezeigt, daß eine mit sogenannten ebenen Venturirohren 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 Anströmgeschwindigkeiten von 1,5-2 Meter pro Sekunde werden im Düsenhals des ersten Venturirohres Strömungsgeschwindigkeiten von 3-4,5 Meter pro Sekunde erzielt, die notwendig sind, damit das der Vor richtung unter Druck zugeführte und über die feinen Düsen bohrungen der Injektoren in die Strömung durch den Düsenhals eintretende Gas in sehr kleine Gasblasen zerteilt werden kann.

Gemäß Patentschrift 37 12 359 ist die Vorrichtung aus ebenen Venturirohren mit rechteckigen Querschnitten aufgebaut. Venturirohre werden als ebene Venturirohre bezeichnet, wenn 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 seitlich von den beiden anderen glatten Wandungen abgeschlossen ist.

Um das Wasser des Flusses Saar mit Sauerstoff anzureichern, ist eine ehemalige Rheinfähre mit einer großen Ausführung der Vorrichtung nach Patentschrift 37 12 359 ausgerüstet worden. Der Sauerstoff ist als Flüssigsauerstoff mitgeführt, mit Hilfe eines Verdampfers in Gasform überführt und mittels der Vorrichtung dem Wasser der Saar beigemischt worden. Nach dem Urteil des Betreibers des Sauerstoffschiffes, dem Wasser- und Schiffahrtsamt Saarbrücken, hat sich dieses insbesondere durch seine Mobilität bewährt. Als Nachteile werden die im Vergleich zur stationären Sauerstoffanrei cherungsanlage hohen Personal- und Investitionskosten erwähnt. Die Gesamtkosten des Sauerstoffschiffes setzen sich zusammen aus den Investitionskosten, den Personalkosten, den Betriebskosten und den Kosten für den in das Wasser einzu bringenden Sauerstoff.

Überlegungen, die zur Minderung der Investitions- und Per sonalkosten führen, sind nicht Gegenstand dieser Erfindung. Dennoch soll darauf hingewiesen werden, daß durch die An wendung elektronischer Hilfsmittel und durch weitgehende Automatisierung die Personalkosten erheblich gesenkt werden können. Niedrigere Investitionskosten werden erhalten, wenn konstruktiv und fertigungstechnisch durchdachte Neubauten des Sauerstoffschiffes in größerer Stückzahl hergestellt werden.

Neben den Personalkosten sind bei Dauerbetrieb des Sauer stoffschiffes vor allem die Betriebskosten und die Fähigkeit der Sauerstoff eintragenden Vorrichtung, einen möglichst großen Teil des zugeführten Sauerstoffes im Wasser lösen zu können, für die Rentabilität des Sauerstoffschiffes entscheidend. Die Betriebskosten entstehen zum überwiegenden Teil bei der Überwindung des Strömungswiderstandes der Vorrichtung, insbesondere jenes Strömungswiderstandes, der von den Strömungsverlusten im Diffusor der Vorrichtung herrührt, und zum kleineren Teil durch den Strömungswiderstand des Schiffes selbst. Die Vorrichtung verbraucht zusätzlich Energie, um das ihr zugeführte Gas in sehr kleine Gasblasen zu zerteilen, wobei eine große Gas/Flüssig-Phasengrenzfläche erzeugt wird. In die Kalkulation sind ferner die Kosten für das in das Wasser einzubringende Sauerstoffgas einzubeziehen. Die Koaleszenz von Gasblasen in der Vorrichtung soll vermieden werden, da dieser Vorgang zur Folge hätte, daß die Gas/Flüssig-Phasen grenzfläche verkleinert werden würde, was den Übergang von Sauerstoff aus den Gasblasen in das die Blasen umgebende Wasser verringern würde.

Ein Sauerstoffschiff wird stets höhere Kosten verursachen als eine vergleichbare stationäre Sauerstoffanreicherungsanlage, solange es nicht gelingt, regenerative Energie für den mobilen Sauerstoffeintrag zu nutzen. Der unschätzbare Vorteil des Sauerstoffschiffes gegenüber den stationären Sauerstoffanreicherungsanlagen ist seine Mobilität.

Bei Versuchsfahrten mit dem Sauerstoffschiff ist fest gestellt worden, daß der Leistungsverbrauch der Vorrichtung nach Patentschrift 37 12 359 wesentlich höher ist als aufgrund von Ergebnissen der Modelluntersuchungen berechnet. Anhand der Modelluntersuchungen ist errechnet worden, daß bei einer Geschwindigkeit des Sauerstoffschiffes von 1,5 Meter pro Sekunde der Leistungsverbrauch der Vorrichtung 11,14 Kilowatt und bei einer Geschwindigkeit von 2 Meter pro Sekunde der Leistungsverbrauch der Vorrichtung 26,4 Kilowatt betragen würde [1]. Tatsächlich ist der Leistungs verbrauch der Vorrichtung mindestens um den Faktor 2 bis 3 höher. Dieser hohe Leistungsverbrauch der Vorrichtung wird offenbar von dem großen Diffusoröffnungswinkel von 30° des nachgeschalteten ebenen Venturirohres verursacht, in dessen Diffusor bei hohen Reynolds-Zahlen Strömungsablösung stattfindet. Dem Planungskonzept entsprechend ist die Vor richtung von Anfang an für eine Geschwindigkeit des Sauer stoffschiffes von maximal 5,5 Kilometer pro Stunde konzipiert worden, nicht aber für eine höhere Geschwindigkeit von 8 Kilometer pro Stunde. Der Zusammenhang zwischen der Reynolds-Zahl, dem Wirkungsgrad des Diffusors und dem Diffusoröffnungswinkel ist in [2] dargestellt, wo gezeigt wird, daß mit wachsenden Reynolds-Zahlen der optimale Dif fusoröffnungswinkel abnimmt. Beim Übergang vom Modell zum Prototyp der Vorrichtung erhöht sich die Reynolds-Zahl mindestens um den Faktor 10.

Sauerstoffmessungen in der Saar haben ergeben, daß der Sauer stoffgehalt von Wasser mit 80%igem Sauerstoffdefizit nach dem Durchströmen der Vorrichtung, in der die Begasung statt gefunden hat, um 3 Gramm Sauerstoff pro Kubikmeter Wasser aufgestockt worden ist, wobei die Geschwindigkeit des Sauer stoffschiffes 2,22 Meter pro Sekunde betragen hat, was umgerechnet einer Schiffsgeschwindigkeit von 8 Kilometer pro Stunde entspricht, und der Vorrichtung bis zu 400 Kubikmeter Sauerstoffgas pro Stunde zugeführt worden sind.

Hierzu ein Vergleich zwischen der im Wasser gelösten Sauer stoffmenge und der Sauerstoffmenge, die der Vorrichtung zu geleitet worden ist.

Spannweite der Vorrichtung: 5,00 Meter
Breite des engsten Querschnitts des ersten Venturirohres: 0,70 Meter - 0,05 Meter = 0,65 Meter
Gesamte Breite der Düsenspalten zwischen den beiden Venturi rohren: 0,20 Meter
Anströmgeschwindigkeit: 2,22 Meter pro Sekunde
Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt: 2,2×2,22 Meter pro Sekunde = 4,88 Meter pro Sekunde
Strömungsgeschwindigkeit in den Düsenspalten: 1,5×2,22 Meter pro Sekunde = 3,33 Meter pro Sekunde
Wasserdurchsatz im engsten Querschnitt: 5,00 Meter × 0,65 Meter × 4,88 Meter pro Sekunde = 15,86 Kubikmeter Wasser pro Sekunde
Wasserdurchsatz durch die Düsenspalten: 5,00 Meter × 0,20 Meter × 3,33 Meter pro Sekunde = 3,33 Kubikmeter Wasser pro Sekunde
Gesamter Wasserdurchsatz = 19,20 Kubikmeter Wasser pro Sekunde

Der gesamte Sauerstoffeintrag:
3 Gramm Sauerstoff pro Kubikmeter Wasser × 19,2 Kubikmeter Wasser pro Sekunde
= 57,60 Gramm Sauerstoff pro Sekunde
= 207,36 Kilogramm Sauerstoff pro Stunde

1 Kubikmeter Sauerstoff wiegt bei durchschnittlicher Temperatur und bei mittlerem Luftdruck 1.332 Kilogramm.

In das Wasser der Saar werden mit Hilfe des Sauerstoffschiffes eingebracht: 400,00 Kubikmeter Sauerstoff pro Stunde.

Im Wasser werden gelöst: 207,36 Kilogramm Sauerstoff pro Stunde.

Dies entspricht:

Demnach werden

Das Wasser der Saar ist mit sauerstoffzehrenden Stoffen ver schmutzt, was zur Folge hat, daß einige Prozent des in Lösung gehenden Sauerstoffs von den Schmutzteilchen gebunden werden. Die niedrige Ausnutzung des eingebrachten Sauerstoffs kann damit allein nicht erklärt werden.

Der Vorgang der Koaleszenz verursacht ebenfalls eine Ver schlechterung der Ausnutzung des eingebrachten Sauerstoffs. Nach [3] wirkt Wasser mit hoher Salzfracht stark koaleszenz fördernd. Bei den bereits erwähnten Versuchsfahrten mit dem Sauerstoffschiff ist beobachtet worden, daß der ein gebrachte, aber nicht im Wasser gelöste Teil des Sauerstoffs in Form großer Blasen an die Wasseroberfläche gelangt.

Die deutsche Offenlegungsschrift 41 35 878 nennt plausible Gründe für die geringe Ausnutzung des eingebrachten Sauerstoffs:

Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im engsten Querschnitt beträgt 4,88 Meter pro Sekunde.

Gasdurchsatz pro Düsenbohrung des Injektors: 4,12 Kubikzentimeter Gas pro Sekunde.

Nach der in [4] angegebenen Formel errechnet sich aus dem Gasdurchsatz pro Düsenbohrung und der Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt ein mittlerer fiktiver Durchmesser der Sauerstoffblasen:

Für den mittleren Durchmesser d_B = 2,20 Millimeter beträgt die spezifische Phasengrenzfläche:

Die eingebrachte Sauerstoffmenge von 400 Kubikmeter pro Stunde liefert die gesamte Phasengrenzfläche pro Sekunde:

Bei einem wesentlich niedrigeren Gasdurchsatz pro Düsenbohrung von z. B. 0,90 Kubikzentimeter pro Sekunde und einer Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt von 488 Zentimeter pro Sekunde werden Sauerstoffblasen mit einem mittleren Durchmesser d_B = 1 Millimeter erzeugt, womit sich die folgende spezifische Phasengrenzfläche ergibt:

Würde unter diesen Voraussetzungen eine Sauerstoffmenge von 400 Kubikmeter pro Stunde in das Wasser der Saar eingebracht, dann würde sich eine Phasengrenzfläche von

einstellen.

Das Produkt "k_L×A" bestimmt zusammen mit der Kon zentrationsdifferenz des Sauerstoffs den Übergang von Sauerstoff aus den Blasen in das die Blasen umgebende Wasser, wobei k_L der flüssigkeitsseitige Stofftransport koeffizient und A die Phasengrenzfläche ist. Vorausgesetzt, die Reynolds-Zahl und der Turbulenzgrad der Strömung in der Vorrichtung bleiben konstant und weder der Gehalt an Schmutzteilchen noch der Salzgehalt des Wassers ändern sich, dann kann mit einem konstanten Stofftransport koeffizienten k_L gerechnet werden. Besteht außerdem im Wasser eine konstante Konzentrationsdifferenz des gelösten Sauerstoffs, dann ist die Phasengrenzfläche A die einzige Größe, die beispielsweise durch Variation des Gasdurchsatzes pro Düsenbohrung verändert werden kann.

Den vorausgehenden Berechnungen ist zu entnehmen, daß unter konstanten Bedingungen, insbesondere einer konstant bleibenden Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt des ersten Venturirohres und einer konstant bleibenden Menge einzubringenden, der Vorrichtung zugeführten Sauerstoffs, bei einem Gasdurchsatz pro Düsenbohrung von 0,90 Kubikzenti meter Sauerstoff pro Sekunde die Phasengrenzfläche um den Faktor 2,2 größer ist als bei einem Gasdurchsatz pro Düsenbohrung von 4,12 Kubikzentimeter Sauerstoff pro Sekunde. Wenn das Sauerstoffgas mit der Geschwindigkeit 30 Meter pro Sekunde durch die Düsenbohrungen in die Wasser strömung durch die Vorrichtung eintreten soll, dann muß die Düsenbohrung bei einem Durchsatz von 0,90 Kubikzentimeter Sauerstoff pro Sekunde den Durchmesser 0,196 Millimeter und bei einem Durchsatz von 4,12 Kubikzentimeter Sauerstoff pro Sekunde den Durchmesser 0,418 Millimeter aufweisen. Es sind 9 Düsenbohrungen mit dem Durchmesser 0,196 Millimeter notwendig, um die gleiche Sauerstoffmenge in das Wasser einzubringen wie 2 Düsenbohrungen mit dem Durchmesser 0,418 Millimeter.

Mit einer Phasengrenzfläche, die um den Faktor 2,2 größer ist als diejenige, mit der eine Sauerstoffausnutzung von 38,9% erreicht worden ist, wird eine Sauerstoffausnutzung zwischen 70% und 80% erwartet. Hierbei wird vorausgesetzt, daß Koaleszenz nicht oder nur in geringem Maße auftritt, und der in Lösung gehende Sauerstoff nicht durch Schmutz teilchen oder durch chemische Prozesse teilweise wieder absorbiert wird.

Zusammenfassende Kritik an dem nach Patentschrift 37 12 359 entwickelten Prototyp der Vorrichtung:

a) Der Leistungsverbrauch der Vorrichtung ist zu hoch.
Die Ursachen:
- - Der Diffusoröffnungswinkel von 30° des nachgeschalteten Venturirohres ist zu groß. Im Diffusor des nachgeschalteten Venturirohres tritt Strömungsablösung auf.
- - Der Prototyp ist so konzipiert, daß er bei einer vor gegebenen Schiffsgeschwindigkeit von 5,5 Kilometer pro Stunde optimal arbeitet.
- - Bei der Entwicklung des Prototyps ist nicht berücksichtigt worden, daß beim Übergang vom Modell zum Prototyp die Reynolds-Zahl für den Diffusor um den Faktor 10 zu nimmt.
b) Die Ausnutzung des der Vorrichtung zugeführten Sauerstoffs beträgt 38,9% und ist damit erheblich zu niedrig.
Die Ursachen:
- - Der Gasdurchsatz durch die Düsenbohrungen ist zu hoch. Dadurch werden Sauerstoffblasen mit zu großem Durchmesser erzeugt.
- - In der Vorrichtung findet Blasenkoaleszenz statt, die durch die Strömungsablösung im Diffusor des nachgeschalteten Venturirohres begünstigt wird. Durch diesen Vorgang entstehen Sauerstoffblasen mit großem Durchmesser.
- - Der im Wasser gelöste Sauerstoff wird durch Verunreinigungen zum Teil absorbiert. Doch die unter starkem Sauerstoffverbrauch erfolgenden chemischen und mikrobiellen Umsetzungen haben eine gewisse Prozeßdauer, die bis zu mehreren Wochen dauern kann. Die unmittelbar nach dem Sauerstoffeintrag gemessene niedrige Sauerstoffausnutzung kann damit nicht erklärt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art so auszubilden, daß sie einen möglichst geringen Leistungsverbrauch und einen möglichst hohen Sauerstoffeintrag aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der runde Diffusor mit einem symmetrisch zur Symmetrieachse verlaufenden, beispielsweise kegelförmig gestalteten Verdrängungskörper versehen ist, oder daß der ebene Diffusor mit einem symmetrisch zur Symmetrieebene verlaufenden, beispielsweise keilförmig gestalteten Ver drängungskörper ausgestattet ist, dessen Länge von der im vorderen Teil des Diffusors angeordneten Vorderkante bis zur weit hinter dem Austrittsquerschnitt angeordneten Hinterkante reicht, und dessen Dicke von der Vorderkante bis zur Stelle seiner größten Dicke stetig, im speziellen Fall linear, zunimmt, nach Erreichen der größten Dicke wieder stetig, im speziellen Fall linear, abnimmt und in der Hinterkante ausläuft, daß der Diffusoröffnungswinkel ϑ in Abhängigkeit von der Dicke des Verdrängungskörpers er heblich vergrößert werden darf, ohne daß die Strömung von der Innenseite der Wandungen des Diffusors ablöst, und daß als Folge des vergrößerten Diffusoröffnungswinkels ϑ die Tangente an die Außenseite der Wandungen des Venturirohres mit der Bewegungsrichtung den stark vergrößerten Anstellwinkel α einschließt.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, den Diffusoröff nungswinkel erheblich zu erweitern und mittels eines Ver drängungskörpers den durchströmten Querschnitt des Diffusors so zu verändern, daß die Strömung von der Innenseite der Wandungen nicht ablöst. Die obere und untere Wandung eines ebenen Venturirohres sind als ebene Tragflügel aus gebildet, die so angeordnet sind, daß die Oberseiten der Tragflügel die Innenseiten und die Unterseiten der Tragflügel die Außenseiten des Venturirohres bilden. Schließt die Tangente an die Außenseite der oberen oder der unteren Wandung des ebenen Venturirohres mit der Bewegungsrichtung den Anstellwinkel ein und strömt das Wasser an den scharfen Hinterkanten der beiden tragflügelartigen Wandungen gemäß der Kuttaschen Abflußbedingung [5] glatt und ohne Wirbelbildung ab, dann ist die Strömungsgeschwindigkeit durch das Venturirohr, insbesondere in seinem engsten Querschnitt, dem Düsenhals, beträchtlich höher als die Strömungsgeschwindigkeit außerhalb des Venturirohres. Je größer der Anstellwinkel α ist, um so höher ist die Strö mungsgeschwindigkeit durch den engsten Querschnitt des Venturirohres, wo das Wasser begast wird. Mit zunehmendem Anstellwinkel α werden Wasserschichten selbst in größerer Entfernung zum Düseneinlauf so beeinflußt, daß sie zu demselben hin abgelenkt und, falls die nahe genug am Düseneinlauf vorbeiströmen, zum Durchströmen des Venturirohres gezwungen werden.

Zur Erklärung dieses Vorgangs mögen vereinfacht dargestellt die Strömungsverhältnisse an einem ebenen Tragflügel dienen, dessen Unterseite unter einem Anstellwinkel schräg angeströmt wird. An der rund gestalteten Vorderkante des Tragflügels bildet sich zur Unterseite hin ein Staupunkt, an dem zwei benachbarte Wasservolumen eines Stromfadens sich trennen. Ein Wasservolumen gelangt entlang der Oberseite des Tragflügels und das andere Wasservolumen entlang der Unterseite des Tragflügels zur scharf zulaufenden Hinterkante. Aufgrund der Kuttaschen Abflußbedingung müssen die beiden Wasservolumen an der Hinterkante sich wieder vereinen, wenn die Strömung an der Hinterkante glatt abfließen soll. Da das an der Oberseite des Tragflügels entlang strömende Wasservolumen bis zur Hinterkante eine größere Strecke zurücklegt als dasjenige, das entlang der Unterseite des Tragflügels zur Hinterkante gelangt, muß das Wasservolumen an der Oberseite schneller strömen als das Wasservolumen an der Unterseite, wenn die Kuttasche Bedingung erfüllt sein soll. Nach der Bernoullischen Gleichung muß demnach an der Oberseite des Tragflügels ein geringerer Druck herrschen als an der Unterseite. Auf diesem Druckunterschied beruht der Auftrieb eines Tragflügels. Für zahlreiche Profilformen ist der sogenannte Auftriebsbeiwert in Abhängigkeit vom Anstellwinkel und von der Reynolds-Zahl gemessen worden [6]. Aus den Auftriebsbeiwerten kann die vom Anstellwinkel und von der Anströmgeschwindigkeit abhängige Strömungs geschwindigkeit an der Oberseite und an der Unterseite eines ebenen Tragflügels bestimmt werden.

Damit die Strömung von den Innenseiten des Diffusors nicht ablöst, wenn der Anstellwinkel α stark vergrößert wird, was zwangsläufig zu einer entsprechenden Vergrößerung des Diffusoröffnungswinkels ϑ führt, wird - wie oben beschrieben - ein strömungsgünstig gestalteter Verdrängungskörper im Diffusor angeordnet, der den Querschnitt für die Strömung im Diffusor verkleinert. Um den zulässigen Diffusoröffnungswinkel ϑ_krit abschätzen zu können, wird zweckmäßigerweise das Diffusorkriterium verwendet [7]:

x = Symmetrieachse bzw. Symmetrieebene
dA = Flächenzunahme des Diffusors an der Stelle [x, x+dx]
U = Umfang des Diffusors an der Stelle x
Re = Reynolds-Zahl

Anmerkung: In [7] wird mit ϑ bzw. ϑ_krit stets der halbe Diffusoröffnungswinkel bezeichnet.

Als Beispiel werde ein ebenes Venturirohr mit geraden Wandungen des Diffusors behandelt, dessen Diffusoröffnungswinkel 30° beträgt. Im Diffusor dieses Venturirohres findet Strömungsablösung statt.

Daten
Spannweite des Venturirohres
= 2,00 Meter
Länge des Diffusors	= 1,25 Meter
Breite des Diffusoreingangs	= 0,54 Meter
Breite des Diffusorausgangs	= 1,20 Meter
Die auf den Diffusoreingang bezogene Reynolds-Zahl	= 3×10⁶

Durch das Anordnen eines keilförmigen Verdrängungskörpers mit geraden Wandungen in den Diffusor soll Strömungsablösung verhindert werden. An die Stelle eines einzigen Diffusors mit einem Diffusoröffnungswinkel von 30° treten zwei Spaltdiffusoren, deren Diffusoröffnungswinkel 10° aufweist.

Daten
Spannweite des Spaltdiffusors
= 2,00 Meter
Länge des Spaltdiffusors	= 0,95 Meter
Breite des Spaltdiffusoreingangs	= 0,27 Meter
Breite des Spaltdiffusorausgangs	= 0,47 Meter
Dicke des Verdrängungskörpers beim Durchgang durch den Austrittsquerschnitt	=0,26 Meter
Keilwinkel des scharf zulaufenden keilförmigen Verdrängungskörpers	= 15°

Nach Angaben in [8] beginnt die Wasserströmung von der Wandung eines runden kegelförmigen Diffusors abzulösen, wenn bei einer Reynolds-Zahl von 3×10⁶ am Diffusoreingang der Diffusoröffnungswinkel größer als 5,6° ist. Darf in den beiden rechteckigen Spaltdiffusoren der Diffusor öffnungswinkel 10° betragen, ohne daß Strömungsablösung eintritt?

Der Umfang

U = 4×1,135 = 4,54 Meter, wobei Δy₀ am Spalt diffusoreingang gemessen worden ist, da für diesen Fall der Umfang U den kleinsten Wert annimmt, für die Breite Δy₀ = 0,27 Meter und für die Spannweite B = 2,00 Meter eingesetzt worden sind.

Der Diffusoröffnungswinkel von 10° ist kleiner als der kritische Winkel von 12,7°, so daß die Gefahr einer Strö mungsablösung nicht besteht.

Anstatt eines Verdrängungskörpers könnte auch ein Multi diffusor eingesetzt werden, um eine Ablösung von den Wandungen des Diffusors zu verhindern [7]. In einem solchen Fall würde beispielsweise der ebene Diffusor mit sehr großem Diffusoröffnungswinkel mittels Leitbleche in eine Vielzahl von Diffusoren mit den Diffusoröffnungswinkel ϑ ϑ_krit unterteilt. Auch ein Multidiffusor wäre ablösungssicher. Als schwerwiegender Nachteil würde sich jedoch eine mit der Verlangsamung der Strömung verbundene Zunahme der Blasenkoaleszenz, insbesondere an den Unterseiten der Leitbleche und an der Unterseite der oberen Diffusorwandung, erweisen.

Eine Zusammenstellung der Vorteile der Erfindung:

a) Erfindungsgemäß wird der Anstellwinkel der Außenseite des Venturirohres gegenüber der Bewegungsrichtung beträchtlich vergrößert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers insbesondere durch den engsten Querschnitt des Venturirohres erheblich gesteigert werden kann. In der Offenlegungsschrift 41 35 878 ist dargelegt, daß mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere durch den engsten Querschnitt des Venturirohres, wo die Begasung des Wassers stattfindet, und bei niedrigen Gasdurchsätzen pro Düsenbohrung von bei spielsweise kleiner als 1 Kubikzentimeter Gas pro Sekunde sehr große Phasengrenzflächen erzeugt werden, was zum Beispiel bei Sauerstoffblasen einen wesentlich beschleunigten Sauerstoffübergang in das sie umgebende Wasser zur Folge hat.
b) Erfindungsgemäß wird durch die Anordnung des Verdrängungs körpers im Diffusor vermieden, daß die Strömung von den Wandungen des Diffusors ablöst, wenn dieser wegen des vergrößerten Anstellwinkels zwangsläufig einen großen bis sehr großen Diffusoröffnungswinkel aufweist.
c) Die hohe Strömungsgeschwindigkeit durch das Venturirohr, in dessen Diffusor infolge des in ihm angeordneten Ver drängungskörpers die Strömung nicht in dem Maße verlangsamt wird wie in einem Diffusor ohne Verdrängungskörper, bewirkt ferner, daß die Gasblasen sehr rasch aus dem Venturirohr herausbefördert werden, und die Gefahr der Koaleszenz von Gasblasen stark vermindert ist.

Nachteilig wirken sich die durch den Widerstand des Verdrän gungskörpers bedingten Strömungsenergieverluste aus. Aufgrund der stetigen Dickenzunahme in Strömungsrichtung bis zur Stelle seiner größten Dicke hinter dem Austrittsquerschnitt bildet sich an den Außenseiten des Verdrängungskörpers eine laminare Grenzschicht aus, so daß der Widerstand des Verdrängungskörpers innerhalb des Diffusors niedrig gehalten werden kann.

Ein weiterer Nachteil der Vorrichtung besteht darin, daß die kinetische Energie der Strömung im Diffusor in geringerem Maße in Druckenergie umgesetzt wird, als dies nach der Bernoullischen Gleichung der Fall sein müßte. Durch die Anordnung des Verdrängungskörpers im Diffusor steht ein Teil des Strömungsquerschnitts der Strömung nicht mehr zur Verfügung, so daß die Umwandlung von kinetischer Energie in Druckenergie unvollständig bleibt, und der nicht in Druckenergie umgesetzte Anteil an kinetischer Energie als Verlustenergie anzusehen ist.

Die bekannte vorteilhaft ausgebildete Vorrichtung nach Patentschrift 37 12 359 zeichnet sich dadurch aus, daß einem ersten ebenen Venturirohr mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres ebenes Venturirohr mit größerem Querschnitt nachgeschaltet ist, in dessen Düsenhals das ausgangsseitige Ende des ersten Venturirohres hineinragt, wobei zwischen der Außenseite der Wandungen des ersten Venturirohres und der Innenseite der Wandungen des nachgeschalteten Venturirohres ein Spalt verbleibt, und dessen Wandungen im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist.

Auf diese Weise ist es gelungen, im engsten Querschnitt des ersten ebenen Venturirohres Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen, die mindestens doppelt so hoch sind wie die Anströmgeschwindigkeiten, und gleichzeitig im engsten Querschnitt das Wasser mit Sauerstoff anzureichern.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, durch beträchtliche Vergrößerung des Anstellwinkels den Wasserdurchsatz bereits durch ein einzelnes Venturirohr so zu erhöhen, daß eine Vorrichtung, die aus einem einzelnen Venturirohr besteht, die gleiche Leistung erbringt wie eine aus zwei Venturirohren zusammengesetzte Vorrichtung.

Die bekannte, aus mindestens zwei Venturirohren bestehende Vorrichtung kann durch eine erfindungsgemäße Gestaltung erheblich in ihrer Sauerstoffeintragsleistung gesteigert werden:

Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, daß die runden Diffusoren des ersten und des nachgeschalteten Venturirohres mit einem symmetrisch zur Symmetrieachse verlaufenden, bei spielsweise kegelförmig gestalteten Verdrängungskörper versehen sind, oder daß die ebenen Diffusoren des ersten und des nachgeschalteten Venturirohres mit einem symmetrisch zur Symmetrieebene verlaufenden, beispielsweise keilförmig gestalteten Verdrängungskörper ausgestattet sind, dessen Länge von der im vorderen Teil des Diffusors des ersten Venturirohres angeordneten Vorderkante durch das nachgeschaltete Venturirohr hindurch bis zur weit hinter dem Austrittsquerschnitt der Vorrichtung angeordneten Hinterkante reicht, und dessen Dicke von der Vorderkante bis zur hinter dem Austrittsquerschnitt der Vorrichtung befindlichen Stelle seiner größten Dicke stetig, im speziellen Fall linear, zunimmt, nach Erreichen der größten Dicke wieder stetig, im speziellen Fall linear, abnimmt und in der Hinterkante ausläuft, daß die Zunahme der Dicke des Verdrängungskörpers im Diffusor des nachgeschalteten Venturirohres mindestens so groß ist wie diejenige im Diffusor des ersten Venturirohres, daß die Diffusoröffnungswinkel ϑ₁, ϑ₂ des ersten und des nach geschalteten Venturirohres in Abhängigkeit von der Dicke des Verdrängungskörpers erheblich vergrößert werden dürfen, ohne daß es zur Strömungsablösung an den Innenseiten der Diffusoren des ersten und des nachgeschalteten Venturirohres kommt, und daß als Folge der vergrößerten Diffusor öffnungswinkel ϑ₁, ϑ₂ die Tangenten an die Außenseiten der Wandungen der beiden Venturirohre mit der Bewegungsrichtung die beträchtlich vergrößerten Anstellwinkel α₁, α₂ ein schließen, wobei der Anstellwinkel α₂ des nachgeschalteten Venturirohres mindestens so groß ist wie der Anstellwinkel α₁ des ersten Venturirohres.

Um große Mengen eines unter Druck stehenden Gases, beispielsweise Sauerstoffgas, in Wasser einbringen zu können, eignet sich die oben beschriebene und mit speziellen Venturirohren ausgerüstete Vorrichtung. Das erste ebene Venturirohr ist von kurzer bis sehr kurzer Bauart und dient mit seinen breiten, mit feinen Düsenbohrungen ausgerüsteten Injektorflächen vor allem der Dauerstoffbegasung des Wassers. Die Außenseiten des ersten Venturirohres weisen gegenüber der Bewegungsrichtung keinen Anstellwinkel auf. Es ist auch kein Verdrängungskörper im Diffusor des ersten Venturirohres vorgesehen. Dem ersten ebenen Venturirohr ist jedoch ein großes ebenes Venturirohr nachgeschaltet, das auf die aus dem ersten Venturirohr austretende Strömung und auf das durch den Spalt zwischen dem ersten und dem nachgeschalteten Veturirohr einströmenden Wasser einen starken Sog ausübt. Die ausgedehnten und mit dicken Trag flügelprofilen ausgerüsteten Wandungen des nachgeschalteten Venturirohres sind mit einem kräftigen Anstellwinkel α₂ gegenüber der Bewegungsrichtung angestellt. Infolgedessen ist der Diffusoröffnungswinkel ϑ₂ des nachgeschalteten Venturirohres stark vergrößert, was die Anordnung eines entsprechend großen Verdrängungskörpers in seinem Diffusor notwendig macht. Um die Tragflügelprofile des nachgeschalteten Venturirohres bilden sich in Längsrichtung starke Zirkulationsströmungen aus, die so gerichtet sind, daß sie die Strömung außerhalb der Vorrichtung verzögern und die Strömung durch die Vorrichtung erheblich beschleunigen. Das durch den Spalt zwischen dem ersten und dem nach geschalteten Venturirohr einströmende Wasser hält die im ersten Venturirohr erzeugten Gasblasen von der Innenseite der Wandungen des nachgeschalteten Venturirohres fern.

Um die Vorrichtungen mit möglichst geringem Leistungs verbrauch betreiben zu können, ist vorgesehen, daß der Verdrän gungskörper parallel zur x-Achse oder Symmetrieachse oder Symmetrieebene sich bewegen läßt. Damit werden nicht nur die Strömungsquerschnitte zwischen der Innenseite des Diffusors und der Außenseite des Verdrängungskörpers verändert, sondern auch der für die Einstellung des optimalen Diffusor öffnungswinkels entscheidende Differentialquotient wo A = Strömungsquerschnitt im Diffusor. Der Umfang errechnet sich aus dem jeweiligen durchströmten Querschnitt. Demzufolge kann der optimale Diffusoröffnungswinkel in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl durch Axialverschiebung des geeignet geformten Verdrängungskörper eingestellt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die kinematische Zähigkeit des Wasser/Gas-Gemisches mit der Zusammensetzung des Gemisches sich ändert. Wird die Vorrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit durch das Wasser bewegt, dann ändert sich die kinematische Zähigkeit des Wasser/Gas- Gemisches, wenn die Menge des von der Vorrichtung in das Wasser eingebrachten Gases erhöht oder verringert wird. Mit der Änderung der kinematischen Zähigkeit ergeben sich auch für die Reynolds-Zahl und folglich auch für den optimalen Diffusoröffnungswinkel andere Werte, die mittels einer axialen Verschiebung des Verdrängungskörpers korrigiert werden können.

Die Zeichnungen in Fig. 1 bis Fig. 6 zeigen Ausführungs beispiele der Vorrichtungen, während die Zeichnung in Fig. 7 das Verfahren zum optimalen Betreiben der Vorrichtungen veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die aus einem ebenen Venturirohr 1 und dem Verdrängungskörper 20 besteht. Das Venturirohr 1 wird von den profilierten Wandungen 11 gebildet, während die seitlichen Wandungen des Venturirohres 1 glatt und nicht profiliert sind. Der Pfeil links in der Zeichnung zeigt die Richtung der Anströmung an. Die Wandungen 11 sind in Längsrichtung mit dem Profil Gö 746 ausgestattet. Die Wandungen 11 sind spiegelbildlich zur Symmetrieebene 3 angeordnet, und stellen ebene Tragflügel dar, deren Oberseiten die Innenseiten des Venturirohres 1 und deren Unterseiten die Außenseiten des Venturirohres 1 bilden. Die Tangente an die Außenseite der Wandungen 11 schließt mit der Bewegungs richtung den kräftigen Anstellwinkel α ein. Ein großer Anstellwinkel α bedingt zwangsläufig einen stark vergrößerten Diffusoröffnungswinkel ϑ. Das Wasser strömt durch den Düseneinlauf 12 in das Venturirohr 1 ein. Im engsten Querschnitt des Venturirohres 1, im Düsenhals 15, erfolgt mittels der Injektoren 17 die Begasung des Wassers. Im Diffusor 14 wird die kinetische Energie des Wasser/Gas- Gemisches in Druckenergie zurückverwandelt, ehe das Wasser/ Gas-Gemisch durch den Austrittsquerschnitt 16 die Vorrichtung verläßt.

Aufgrund des stark vergrößerten Diffusoröffnungswinkels ϑ herrscht im Diffusor 14 Strömungsablösung vor. Um dieser Gefahr zu begegnen, wird erfindungsgemäß ein keilförmiger Verdrängungskörper 20 im Diffusor 14 angeordnet, der den Diffusor 14 in zwei ablösungssichere Spaltdiffusoren teilt. Der Verdrängungskörper 20 versperrt der Strömung einen Teil des Querschnitts des Diffusors 14, so daß das Wasser/Gas-Gemisch rasch aus den Spaltdiffusoren heraus befördert wird, und die Gefahr der Koaleszenz beträchtlich vermindert ist.

Der Verdrängungskörper 20 erstreckt sich von der rund gestalteten Vorderkante 13 über die Stelle seiner größten Dicke 18 bis zur weit außerhalb des Austrittsquerschnitts 16 angeordneten, scharf geformten Hinterkante 19. Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung des stromlinienförmigen Verdrängungskörpers 20. In der technischen Anwendung jedoch ist an der Stelle der größten Dicke 18 keine Kante, sondern ein leicht abgerundeter Verlauf der Oberfläche des Verdrängungskörpers 20 zu erwarten.

Fig. 2 zeigt eine ebene Vorrichtung nach Fig. 1 in perspek tivischer Darstellung. Die Zeichnung veranschaulicht den Aufbau der Vorrichtung aus dem Venturirohr 1 und dem Ver drängungskörper 20. Das ebene Venturirohr 1 ist durch glatte, nicht profilierte Seitenwände 4 unterteilt, die verhindern sollen, daß aufgrund des im Düsenhals 15 sich einstellenden Unterdrucks die profilierten Wandungen 11 eine Durchbiegung erfahren, und die der Vorrichtung me chanische Festigkeit verleihen.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die aus den ebenen Venturirohren 1 und 2 und dem Verdrängungskörper 30 be stehenden Vorrichtung. Der Pfeil links in der Zeichnung gibt die Richtung der Anströmung wieder. Das Venturirohr 1 wird von den Wandungen 21 und das Venturirohr 2 von den Wandungen 22 gebildet. Die Wandungen 21 und 22 sind spiegelbildlich zur Symmetrieebene 3 angeordnet. Im Längsschnitt gesehen sind die Wandungen 21 mit dem Profil Gö 746 oder Gö 744 oder Gö 741 und die Wandungen 22 mit dem Profil Gö 564 oder Gö 622 versehen. Die seit lichen Wandungen sind glatt und nicht profiliert.

Die durch den Düseneinlauf 23 einströmende Wassermenge wird im engsten Querschnitt des ersten Venturirohres 1, im Düsenhals 25, mittels der Injektoren 27 begast, und im Diffusor 24 wird ein Teil der kinetischen Strömungs energie des Wasser/Gas-Gemisches in Druckenergie zurück verwandelt. Das erste Venturirohr 1 ragt in den Düsenhals des nachgeschalteten Venturirohres 2 hinein, wo das Wasser/Gas-Gemisch durch den Austrittsquerschnitt 26 in das Venturirohr 2 gelangt, so daß im Diffusor 34 die Umsetzung von kinetischer Strömungsenergie in Druckenergie fortgesetzt wird. Das durch den Einlaufspalt 28 mit hoher Geschwindigkeit in das Venturirohr 2 einströmende Wasser bildet im Venturirohr 2 eine energiereiche Grenzschicht, die die energiearme Grenzschicht im Diffusor 34 erneuert.

Die Tangenten an die Außenseiten der Wandungen 21 und 22 bilden mit der Bewegungsrichtung die Anstellwinkel α₁ und α₂, wobei der Anstellwinkel α₂ stets größer als α₁ ist oder mindestens so groß ist wie dieser. Die großen Anstellwinkel α₁, α₂ haben vergrößerte Diffusoröffnungswinkel ϑ₁ und ϑ₂ zur Folge, was zur Strömungsablösung in den Diffusoren 24 und 34 führt. Um die Strömungsablösung in den Diffusoren 24 und 34 zu verhindern, wird erfindungsgemäß ein Verdrängungskörper 30 in den Diffusoren 24 und 34 an geordnet. Der Verdrängungskörper 30 teilt jeden der Diffusoren 24 und 34 in zwei ablösungssichere Spaltdiffusoren auf. Der Verdrängungskörper 30 reicht von der Vorderkante 31 bis zur hinter dem Austrittsquerschnitt 29 angeordneten Hinterkante 35. Die Stelle seiner größten Dicke 33 ist un mittelbar nach dem Austrittsquerschnitt 29 angeordnet. Im Bereich von der Vorderkante 31 bis zur Kante 32 ist die Zunahme an Dicke geringer als im Bereich von der Kante 32 bis zur Stelle der größten Dicke 33. Von der Stelle 33 aus erfolgt eine kontinuierliche Abnahme der Dicke bis zur Hinterkante 35. Der Verdrängungskörper ist in Fig. 3 schematisch dargestellt und zeigt in der technischen Anwendung keine Kanten, sondern statt dessen fließende Übergänge.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der ebenen Vor richtung nach Fig. 3. Erkennbar sind die Venturirohre 1 und 2, der Verdrängungskörper 30 und eine der Seitenwände 4. Die Darstellung in Fig. 4 veranschaulicht den Aufbau der Vorrichtung.

Fig. 5 stellte einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum feinblasigen Einbringen großer Mengen eines unter Druck stehenden Gases, die aus den ebenen Venturirohren 1 und 2 und dem Verdrängungskörper 40 aufgebaut ist. Die Venturirohre 1 und 2 werden von den Wandungen 41 und 42 gebildet, die spie gelsymmetrisch zur Symmetrieebene 3 angeordnet sind. Die Wandungen 41 sind im Längsschnitt gesehen mit dem Profil Gö 301 oder Gö 535 und die Wandungen 42 mit dem Profil Gö 623 oder Gö 624 oder Gö 711 ausgerüstet. Die mit breiten Injektoren 47 im engsten Querschnitt versehenen Wandungen 41 sind nicht gegenüber der Bewegungsrichtung angestellt. Das Venturirohr 1 ist von kurzer Bauart und besitzt einen kleinen Diffusoröffnungswinkel ϑ₁, so daß ein Verdrängungskörper anzuordnen sich erübrigt. Das ausgangsseitige Ende des kurzen Venturirohres 1 führt in den Düsenhals des nach geschalteten Venturirohres 2, das ausgedehnte Wandungen 42 aufweist, die mit einem dicken Profil ausgestattet sind. Die Tangenten an die Außenseiten der Wandungen 42 bilden mit der Bewegungsrichtung große Anstellwinkel α₂, die wiederum einen großen Diffusoröffnungswinkel ϑ₂ zur Folge haben. Folglich kommt es zur Strömungsablösung im Diffusor 50. Um diese Gefahr abzuwenden, wird erfindungsgemäß ein keilförmiger Verdrängungskörper 40 im Diffusor 50 angeordnet, der den Diffusor 50 in zwei Spaltdiffusoren unterteilt, in denen keine Strömungsablösung mehr stattfindet. Die Vorderkante 51 ist im vorderen Teil des Diffusors 50 angeordnet. Unmittelbar hinter dem Austrittsquerschnitt 49 weist der Verdrängungskörper 40 seine größte Dicke 52 auf, die etwa die Mitte der Strecke zwischen der Vorderkante 51 und der Hinterkante 53 bildet.

Das Wasser strömt durch den Düseneinlauf 43 und durch den Einlaufspalt 48 in die Vorrichtung ein. Im Düsenhals 45 wird das Wasser mit Hilfe der Injektoren 47 begast, und das auf diese Weise entstehende Wasser/Gas-Gemisch wird durch die starke Sogwirkung des nachgeschalteten Venturirohres 2 sehr rasch aus dem Diffusor 44 herausgesaugt und gelangt durch den Austrittsquerschnitt 46 in das Venturirohr 2. Die durch den Einlaufspalt 48 einströmende Wasserschicht erneuert die energiearme Grenzschicht im Venturirohr 2 und hält gleichzeitig die Gasblasen von den Wandungen 42 fern. Unter diesen Voraussetzungen gelingt es, einen großen Teil der kinetischen Strömungsenergie in Druckenergie zurückzuführen. Das Wasser/Gas-Gemisch verläßt die Vorrichtung durch den Austrittsquerschnitt 49.

Fig. 6 veranschaulicht anhand einer perspektivischen Dar stellung die in Fig. 5 im Längsschnitt gezeigte Vorrichtung. Dargestellt sind die beiden ebenen Venturirohre 1 und 2, der Verdrängungskörper 40 und eine der Seitenwände 4.

Fig. 7 veranschaulicht die Funktionsweise des erfin dungsgemäßen Betriebsverfahrens. Der Verdrängungskörper (20) wird parallel zur x-Achse von Position 54 nach Position 55 oder in umgekehrte Richtung bewegt. Dabei wird die Größe des durchströmten Querschnitts und der Umfang desselben verändert. Auch der für die Einstellung des optimalen Diffusoröffnungswinkels wichtige Differentialquotient wird verändert, wobei die Größe A der durchströmte Diffusor- bzw. Spaltdiffusorquerschnitt ist. Die Einstellung des optimalen Diffusoröffnungswinkels ist während des Betriebes der Vorrichtung möglich. Der optimale Diffusor öffnungswinkel ist von der Reynolds-Zahl abhängig, die sich aber ändert, wenn die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung durch das Wasser bewegt wird, sich ändert oder wenn die Zusammensetzung des Wasser/Gas- Gemisches variiert wird.

Die Darstellung in Fig. 7 ist schematisch gedacht. Eine anwendungsreife Planzeichnung bedarf der genauen Vorgaben bezüglich der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung durch das Wasser bewegt wird, und insbesondere Angaben über den Gasanteil des Wasser/Gas-Gemisches und in welchem Bereich der x-Achse der Verdrängungskörper (20) positioniert werden soll.

Claims

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 parallel zur Bewegungsrichtung an geordneten Venturirohr, in dessen Düsenhals ein Gas injektor mündet, und dessen Wandungen im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der runde Diffusor (14) mit einem symmetrisch zur Symmetrieachse (3) verlaufenden, beispielsweise kegelförmig gestalteten Verdrängungskörper (20) versehen ist, oder daß der ebene Diffusor (14) mit einem symmetrisch zur Symmetrieebene (3) verlaufenden, beispielsweise keilförmig gestalteten Verdrängungskörper (20) ausgestattet ist, dessen Länge von der im vorderen Teil des Diffusors (14) angeordneten Vorderkante (13) bis zur weit hinter dem Austrittsquerschnitt (16) angeordneten Hinterkante (19) reicht, und dessen Dicke von der Vorderkante (13) bis zur Stelle seiner größten Dicke (18) stetig, im speziellen Fall linear, zunimmt, nach Erreichen der größten Dicke (18) wieder stetig, im speziellen Fall linear, abnimmt und in der Hinterkante (19) ausläuft, daß der Diffusoröffnungswinkel ϑ in Abhängigkeit von der Dicke des Verdrängungskörpers (20) erheblich vergrößert werden darf, ohne daß die Strömung von der Innenseite der Wandungen (11) des Diffusors (14) ablöst, und daß als Folge des vergrößerten Diffusoröffnungswinkels ϑ die Tangente an die Außenseite der Wandungen (11) des Venturirohres (1) mit der Bewegungsrichtung den stark vergrößerten Anstellwinkel α einschließt.

2. 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 Bewegungs richtung 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 Außenseite der Wandungen des ersten Venturirohres und der Innenseite der Wandungen des nachgeschalteten Venturirohres ein Spalt verbleibt, und daß die Wandungen der Venturirohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die runden Diffusoren (24), (34) des ersten und des nachgeschalteten Venturirohres (1), (2) mit einem symmetrisch zur Symmetrieachse (3) verlaufenden, beispielsweise kegelförmig gestalteten Verdrängungskörper (30) versehen sind, oder daß die ebenen Diffusoren (24), (34) des ersten und des nachgeschalteten Venturirohres (1), (2) mit einem symmetrisch zur Symmetrieebene (3) verlaufenden, beispielsweise keilförmig gestalteten Verdrängungskörper (30) ausgestattet ist, dessen Länge von der im vorderen Teil des Diffusors (24) des ersten Venturirohres (1) angeordneten Vorderkante (31) durch das nachgeschaltete Venturirohr (2) hindurch bis zur weit hinter dem Austrittsquerschnitt (29) der Vorrichtung angeordneten Hinterkante (35) reicht, und dessen Dicke von der Vorderkante (31) bis zur hinter dem Austritts querschnitt (29) der Vorrichtung befindlichen Stelle seiner größten Dicke (33) stetig, im speziellen Fall linear, zunimmt, nach Erreichen der größten Dicke (33) wieder stetig, im speziellen Fall linear, abnimmt und in der Hinterkante (35) ausläuft, daß die Zunahme der Dicke des Verdrängungskörpers (30) im Diffusor (34) des nachgeschalteten Venturirohres (2) mindestens so groß ist wie diejenige im Diffusor (24) des ersten Venturirohres (1), daß die Diffusoröffnungswinkel ϑ₁, ϑ₂ des ersten und des nachgeschalteten Venturirohres (1), (2) in Abhängigkeit von der Dicke des Verdrängungskörpers (30) erheblich vergrößert werden dürfen, ohne daß es zur Strömungsablösung an den Innenseiten der Diffusoren (24), (34) des ersten und des nachgeschalteten Venturi rohres (1), (2) kommt, und daß als Folge der vergrößerten Diffusoröffnungswinkel ϑ₁, ϑ₂ die Tangenten an die Außenseiten der Wandungen (21), (22) der beiden Venturirohre (1), (2) mit der Bewegungsrichtung die beträchtlich vergrößerten Anstellwinkel α₁, α₂ einschließen, wobei der Anstellwinkel α₂ des nachgeschalteten Venturirohres (2) mindestens so groß ist wie der Anstellwinkel α₁ des ersten Venturirohres (1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Venturirohr (1) von kurzer bis sehr kurzer Bauart ist, und mit der Außenseite seiner Wandungen (41) nicht gegenüber der Bewegungsrichtung angestellt ist, daß das erste Venturirohr (1) einen kleinen Diffusor öffnungswinkel ϑ₁ besitzt, und folglich sein Diffusor (44) nicht mit einem Verdrängungskörper ausgestattet zu werden braucht, daß das nachgeschaltete Venturirohr (2) über ausgedehnte Wandungen (42) verfügt, die im Längsschnitt gesehen nach Art eines dicken Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Bewegungsrichtung einen großen Anstellwinkel α₂ aufweist, was einen stark ver größerten Diffusoröffnungswinkel ϑ₂ zur Folge hat, so daß der Diffusor (50) erst mittels eines Verdrängungskörpers (40) ablösungssicher wird, und daß ein runder Diffusor (50) mit einem symmetrisch zur Symmetrieachse (3) verlaufenden, beispielsweise kegelförmig gestalteten Verdrängungskörper (40) versehen ist, oder daß ein ebener Diffusor (50) mit einem symmetrisch zur Symmetrieebene (3) verlaufenden, beispielsweise keilförmig gestalteten Verdrängungskörper (40) ausgestattet ist, dessen Länge von der im vorderen Teil des Diffusors (50) ange ordneten Vorderkante (51) bis zur weit hinter dem Aus trittsquerschnitt (49) der Vorrichtung angeordneten Hinterkante (53) reicht, und dessen Dicke von der Vorderkante (51) bis zur dicht hinter dem Austrittsquerschnitt (49) vorgesehenen Stelle der größten Dicke (52) stetig, im speziellen Fall linear, zunimmt, nach Erreichen der größten Dicke (52) stetig, im speziellen Fall linear, ab nimmt und in der Hinterkante (53) ausläuft.

4. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Verschiebung des Verdrängungskörpers (20) auf der x-Achse oder Symmetrieachse oder Symmetrieebene, beispielsweise von Position 54 nach Position 55 oder um gekehrt, nicht nur die Strömungsquerschnitte zwischen der Innenseite des Diffusors des Venturirohres (1) und der Außenseite des Verdrängungskörpers (20) verändert werden, sondern auch der Differentialquotient: so daß der optimale Diffusoröffnungswinkel während des Betriebes einer Vorrichtung eingestellt werden kann.