DE4335595A1 - Verfahren und Vorrichtung für eine unter Druck stehende, umzulenkende oder zu verzweigende Rohrströmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzielen einer rota­ tionssymmetrischen Spiralströmung in einer Rohrströmung nach einer Umlenkung und hat auch eine Vorrichtung sowie die Verwen­ dung einer solchen Vorrichtung und eines solchen Verfahrens zum Gegenstand. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer solchen hydraulisch arbeitenden Drallkammer zur Umlenkung oder Verzweigung einer Rohrströmung, die insbesondere aus Wasser oder Abwasser besteht, wobei die Strömung nach Verlassen der Drall­ kammer mit einer rotationssymmetrischen Spiralbewegung beauf­ schlagt wird.

Gegenstand der Erfindung ist die Anwendung der Drallkammer im Wasserbau, der Siedlungswasserwirtschaft, in der Labor- und Verfahrenstechnik.

Rotationssymmetrische Spiralbewegungen sind in verschiedenen Anwendungen und Verfahren der Hydraulik vorteilhaft. Solche Aufgaben stellen sich sowohl im Wasserbau als auch in der Sied­ lungswasserwirtschaft und in der Labor- und Verfahrenstechnik. Im Abwasserbereich ist meist eine gleichmäßige Belastung ver­ schiedener Becken anzustreben, wohingegen in der Labor- und Verfahrenstechnik eine stabile Spiralbewegung in Rohrsträngen vorteilhaft sein kann bzw. gar einen gewünschten Effekt, wie z. B. einen Trennvorgang, erst auslösen kann. Der Nachteil bisher eingesetzter Drallkammerformen (z. B. nach Adami, Drioli, Knapp, Thoma etc.) für derartige Anwendungen, liegt in einer mehr oder weniger ausgeprägten Rotationsassymmetrie der Drehbewegung. Die Ursache dafür ist in der ungleichförmigen Druckverteilung über den Drallkammerumfang und der nicht ausreichenden Druckumlage­ rung beim Übergang vom Tangential- zum Axialrohr gegeben. Da­ - durch wird der sich ausbildende, aus Luft oder Flüssigkeit be­ stehende Wirbelkern nach einer Seite abgelenkt.

Die tangentiale Anströmung einer konventionellen Drallkammer mit flachem Boden und Deckel hat zur Folge, daß sich ein spiralför­ miger Wirbel in der Drallkammer ausbildet. Die an Boden und Deckel angrenzenden Wasserschichten erfahren durch die Wandrei­ bung eine Abbremsung ihrer Rotationsgeschwindigkeit und folglich eine Verminderung ihrer Zentrifugalkraft. Sie streben daher in steileren Spiralen dem Zentrum zu, wo sie von den Mittel­ schichten erfaßt und durch die plötzlich gesteigerte Zentrifu­ galkraft wieder von der Abflußöffnung weggerissen werden. Auf diese Weise entstehen in Boden- und Deckelnähe zentripetale, und in der Mitte zwischen Boden und Deckel zentrifugale, wirbelige Strömungen. Durch den unstetigen Druckverlauf im Bereich der tangentialen Einmündung erfolgen die oben geschilderten Kraft­ wirkungen ungleichmäßig über den Querschnitt verteilt, also ausmittig. Diese Ausmitte führt dann, durchflußabhängig, zur assymmetrischen Drehbewegung im anschließend axialen Rohr.

Es wird nicht verkannt, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Spiralfluidströmung an sich bekannt ist (DE- OS 36 30 536). Hierbei ist jedoch das Ziel, eine gerade Rohr­ strömung mit einer Spiralbewegung zu überlagern, damit die Sache rotationssymmetrisch bleibt. Ob die dort angegebenen Mittel aus­ reichen, die Rotationssymmetrie überhaupt herbeizuführen, ist fraglich, weil die Einströmung ja eben nicht symmetrisch son­ dern tangential ist. Die Strömung, die beispielsweise von unten nach dieser Offenlegungsschrift ankommt, tritt in eine Erweite­ rung, im weitesten Sinne eine "Drallkammer" ein; von der Seite kommt eine kleine Strömung als Impulsströmung, die über einen kleinen rotationssymmetrischen Spalt die Hauptströmung beein­ flußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer einfa­ chen Konstruktion bei geringem Aufwand eine rotationssymmetri­ sche oder beliebig ausmittige Spiralbewegung einer Flüssigkeit im an einer Drallkammer angesetzten axialen Rohr lediglich durch Druckumlagerung und Strömungsumlenkung unabhängig vom Durchfluß hervorzurufen.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit Umlenkung oder Verzweigung einer unter Druck stehenden Rohrströ­ mung unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit einer nahezu belie­ big über den Querschnitt verteilten Spiralbewegung, vorzugsweise rotationssymmetrisch, die gekennzeichnet ist durch eine Drall­ kammer, die sich vom Bereich des tangentialen Einlaufs bis zum axialen Austritt verjüngt und durch ein in Höhenlage und Exzen­ trizität justierbares Einbauteil, das in den Drallraum einge­ setzt ist.

Ein solches Verfahren wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß dadurch umgelenkt oder verzweigt wird, daß aus der tangentialen Zuströmung eine senkrecht hierzu gehende axiale Abströmung durch Richten der Strömung gemacht wird, wobei die tangentiale Zuströ­ mung sich in Richtung des axialen Rohres verjüngt und daß im Bereich der Drallaufbringung die Strömung gegen einen in Höhe und Exzentrizität justierbaren Strömungslenker und Gleichrichter geführt wird.

Es wird also durch die Maßnahme nach der Erfindung eine speziel­ le Drallkammerform geschaffen, die eine Druckumlagerung zum Ausgleich der oben geschilderten Unregelmäßigkeiten über eine Spiralebene ermöglicht.

Ausgehend von der Ebene eines oder mehrerer tangentialer Zuläufe bis zum Übergang in die axiale Ableitung verjüngt sich die Drallkammer konusförmig, was zur Folge hat, daß die anfangs große Durchtrittsfläche der Drallkammer in Axialrichtung bis zur Ausströmöffnung kontinuierlich kleiner wird und damit ein Druck­ ausgleich über den Fließquerschnitt in axialer Richtung erfolgt. Hinsichtlich einer gerichteten Zwangsströmung kann diese Druck­ umlagerung durch den Einbau des Zylinders oder Kegels herbei­ geführt werden, wobei die Symmetrieachse des Kegels oder Zylin­ ders mit der in die Drallkammer verlängerten Achse des Axial­ rohrs zusammenfällt.

Vorzugsweise ist der Kegelmantel steiler geneigt als die Drall­ kammerberandung. Mindestens jedoch muß er genauso stark geneigt sein, um eine Vergrößerung des Fließquerschnitts zu vermeiden. Deswegen sollte zweckmäßig die Kegelspitze bzw. der Zylinder unterhalb des Übergangs zum axialen Rohr enden, um bis zum axia­ len Austritt Raum zur Druckumlagerung bereitzustellen.

Vorzugsweise umfaßt die Drallkammer zur Erzeugung einer rota­ tionssymmetrischen oder nahezu beliebig ausmittigen Spiralbewe­ gung in Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, nach der Erfindung:

• a) eine kreisförmige Drallkammerbasis, deren Durchmesser von der Größe des oder der tangentialen Zuläufe abhängt;
• b) einen konusförmigen Drallkammeraufsatz mit einer zentri­ schen Auslaßöffnung;
• c) ein kegelförmiges oder zylindrisches, zentrisch angeord­ netes oder ausmittig justierbares Einbauteil, das
• d) mit dem unter b) genannten Drallkammeraufsatz eine Durch­ trittsfläche bildet, die sich von der Drallkammerbasis bis zum axialen Auslaß kontinuierlich verringert.

Die Drallkammer wird man im allgemeinen mit der axialen Auslaß­ öffnung senkrecht nach oben oder unten betreiben. Auch eine beliebig schrägliegende Drallkammer erzeugt eine rotationssym­ metrische Spiralbewegung in der Flüssigkeit beim Verlassen der Drallkammer infolge des Ausgleichs gemäß der Erfindung.

Eine Be- und Entlüftungsöffnung bzw. eine zweite Auslaßöffnung kann im Zentrum der Drallkammerbasis angeordnet werden. In die­ sem Fall reicht der kegelförmige oder zylindrische Einbau nicht bis zur Drallkammerbasis. Allerdings kann das Einbauteil selbst auch für die Be- bzw. Entlüftung sorgen.

Unter Umständen kann auf den Einbau überraschend vollkommen verzichtet werden. Hier ist durch entsprechende Neigung der konusförmigen Mantelfläche des Drallkammeraufsatzes eine Druck­ umlagerung sicherzustellen.

Der Zulaufquerschnitt kann in verjüngter Form in die Drallkammer münden, wodurch höhere Zuflußgeschwindigkeiten gegenüber einem bestehenden Rohrquerschnitt erreicht werden. Dies erhöht auch die Drehgeschwindigkeit in der Drallkammer und im anschließenden Rohr.

Für bestimmte Anwendungen kann auch eine durchgehende Verbindung zwischen zwei Auslaßöffnungen erstellt werden, indem der Kegel oder Zylinder zentrisch oder entsprechend ausmittig durchbohrt wird.

Nach einer Rohrverzweigung kann in beiden abgehenden Ästen, die auf einer gemeinsamen Achse liegen, eine rotationssymmetrische Drehbewegung des Fließmediums erreicht werden. Ein kegelformiges Einbauteil wird als Doppelkegel ausgeführt.

Es wird nicht verkannt, daß Spiralströmungen mittels Drallkam­ mern bereits verschiedentlich erzeugt wurden (z. B. deutsche Of­ fenlegungsschriften 27 12 443 und 27 12 444); hierbei stand jedoch nie die Rotationssymmetrie der Spiralströmung im an­ schließenden axialen Rohr im Vordergrund. In der deutschen Offenlegungsschrift 36 30 536 wird eine stabile Spiralfluidströ­ mung durch eine die Drehung initiierende Spaltströmung erreicht, welche der Hauptströmung überlagert wird. Im Gegensatz dazu lenkt die vorliegende Erfindung eine Strömung um 90° um, gleich­ zeitig wird diese Strömung so geführt und umgelagert, daß sich eine stabile, rotationssymmetrische Spiralbewegung einstellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die kontinuierliche Verringerung des axial durchflossenen Querschnitts beim Übergang von der Drallkammer in das Axialrohr der Flüssigkeit ohne mechanische Einbauten oder andere Maßnahmen eine rotationssymmetrische Drehbewegung aufge­ prägt wird. Die Drallkammerform bewirkt, daß sich im Gegensatz zu bisher bekannten Drallkammerformen eine kontinuierlicher Übergang von der Drallkammerbasis zum axialen Auslauf ergibt und somit in Verbindung mit dem justierbaren Einbauteil eine all­ mähliche Druckumlagerung möglich wird. Bei bisher verwendeten und untersuchten Drallkammerformen zur Erzeugung einer Rotation in einem Medium verursachte der plötzliche Übergang von der Drallkammer zum axialen Rohr Druckpotentiale, die zu einer un­ gleichmäßigen Beaufschlagung über den Fließquerschnitt führten.

Die Maßnahme nach der Erfindung ist mit besonderem Vorteil durch das oben genannte Verfahren und die oben genannte Vorrichtung insbesondere anwendbar als Anströmung bzw. vorgeschaltete An­ strömstufe für

Einläufe für Rundbecken,
Sandklassierer
Wirbelabscheider
Reinigungseinrichtungen wie Hydrozyklone
Wirbelreiniger
Fliehkraftabscheider
Hydrozyklonabscheider
Zentrifugalabscheider
Zyklonabscheider bzw. Trennkammern allgemein (Industrie­ reinigung)

Ein besonderer Vorteil der Erfindung läßt sich auch auf dem Ge­ biet der Wasserbewirtschaftung für Verteilerbauwerke für ankom­ mende Wassermassen benutzen. Solche Verteilerbauwerke nehmen das ankommende Wasser auf und verteilen die Wassermenge auf ver­ schiedene Becken gleichmäßig.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden:

Diese zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der Strömungsführung gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 ist ein Grundriß zu Fig. 1;

Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform eines Einbauelements;

Fig. 4 und 6 andere Ausführungsformen, wobei die Anströmung nach Fig. 4 horizontal ist, die Abströmung vertikal nach unten, wogegen die horizontale Anströmung der Fig. 6 vertikal nach oben gelenkt wird;

Fig. 5 eine weitere Form in anderer Anordnung;

Fig. 7 und 8 zeigen andere Verwirklichungsformen der der Erfindung zugrundeliegenden Idee und

Fig. 9 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 2 mit einer anderen Ausbildung des Anströmrohres.

Gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 ist eine Drallkammer mit Minderung des Fließquerschnitts im Schnitt dargestellt. Der tangentiale Drallkammerzulauf 1 mündet in die gestrichelt ange­ deutete Drallkammerbasis 2 und wird um einen Einbau 3 geführt. Der Einbau 3 ist ein zylindrisches Einbauelement, das satt gera­ de auf der Drallkammerbasis 2 sitzt. Die Stirnseite des Zylin­ ders 3 liegt immer unter der axialen Öffnung 6.

Das Wasser Q strömt gemäß Fig. 1 und 2 tangential in die Drall­ kammer 5, wo es sich spiralförmig im Fließquerschnitt zwischen dem Zylindereinbau 3 und der konischen Drallkammerwand 4 auf den axialen Austritt 6 zubewegt. Durch die Verringerung des darge­ botenen Fließraums in Strömungsrichtung, wird der Druck mit Fortgang der Strömung zunehmend bis zu einem bestimmten druck­ abflußabhängigen Bereich über den jeweiligen Querschnitt durch Umlagerung ausgeglichen. Das hat zur Folge, daß sich in der axialen Ableitung 6 eine rotationssymmetrische oder beliebig ausmittige, spiralförmige Drehbewegung ausbildet.

Die verschiedensten Variationen für Drallkammerformen sind in den verschiedenen Zeichnungen dargestellt.

So zeigt Fig. 3 eine Drallkammer, bei der sich die erforderliche Druckumlagerung durch die Strömung zwischen den Kegelflächen und dem Mantel der Drallkammer einstellt. Der Kegel ist immer stei­ ler geneigt als die ihn umgebende Drallkammer 4.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform stellt sich die erforderliche Druckumlagerung auch ohne die Unterstützung durch den Einbau eines Kegels ein.

Soll der Ausfluß aus der Drallkammer etwa gemäß der Fig. 7 aus zwei Öffnungen erfolgen, kann das Einbauteil 3 (hier ein Kegel) so fixiert werden, daß ein gewisser Abstand die zweite Öffnung 10 freigibt. Die rotationssymmetrische Spiralbewegung des flie­ ßenden Mediums in den Auslässen stellt sich nur bei Durchfahren der Querschnittsverminderung 5 ein, nicht bei der an der Drall­ kammerbasis 2 angebrachten Öffnung 10.

Fig. 4 zeigt eine Anströmung z. T. von oben, die Abströmung geht axial nach unten. Das Einbauteil ist ein Kegel 11, der eine durchgehende Bohrung 12 aufweist. So besteht über die Bohrung 12 eine Be- oder Entlüftungsmöglichkeit.

Fig. 5 zeigt eine torusförmige Ummantelung 7 der Drallkammer, durch die die Druckumlagerung entsprechend den jeweiligen Anfor­ derungen durch geeignete Kombination mit einer bestimmten Form eines Einbauteils 8 oder einer gemäßen Kegelneigung hervorgeru­ fen wird.

Für verschiedene Anforderungen kann es vorteilhaft oder zwingend notwendig sein, daß - wie in Fig. 6 dargestellt - eine Verbin­ dung 12 für das Einbauteil 11 zwischen den beiden Auslässen 6 und 10 besteht.

Fig. 8 zeigt den Fall, daß eine rotationssymmetrische Drehungs­ bewegung der Flüssigkeit in zwei axialen Rohren 6 und 6b auf­ tritt. Dazu wird die Mantelfläche der Drallkammerbewandung 4 entsprechend ausgebildet und ein doppelsymmetrisches Einbauteil 13 verwirklicht.

Eine Darstellung ähnlich Fig. 2 zeigt Fig. 9, nur daß der tan­ gentiale Zulauf 9 sich verengend oder verjüngend ausgebildet ist. Hierdurch kann die Strömungsgeschwindigkeit auf ein zur Drallentstehung erforderliches Maß erhöht werden.

Die Ausführungsform der Fig. 1, d. h. die mit einem glatten Zy­ linder kann so weiter gebildet sein, daß anstatt der glatten oberen Zylinderfläche der Zylinder oben halb-kugelförmig, para­ belförmig, kegelförmig abgerundet ist, auch kann die Aus­ führungsform gemäß Fig. 1 mit einer achsparallelen Bohrung ver­ sehen sein.

In jedem Fall wird eine Druckumlagerung, eine Führung und Stabi­ lisierung der Strömung und des Wirbelkerns sichergestellt.

Die Oberfläche des Einbauelementes wird jedesmal glatt sein.

Auch der Kegel kann einen abgerundeten Kegelkopf, einen parabel­ förmig abgerundeten Kegelkopf, einen Kegelstumpf oder einen abgerundeten Kegelstumpf aufweisen.

Es ist erstaunlich, daß durch geringe Bewegungen zur Justierung des Einbauelements, sei es in vertikaler Richtung, sei es als außermittige horizontale Bewegung die Strömungsgleichrichtung in so starkem Maße beeinflußt werden kann.

Claims (22)

1. Vorrichtung mit Umlenkung oder Verzweigung einer unter Druck stehenden Rohrströmung unter gleichzeitiger Beauf­ schlagung mit einer nahezu beliebig über den Querschnitt verteilten Spiralbewegung, gekennzeichnet durch eine Drall­ kammer (5), die sich vom Bereich des tangentialen Einlaufs (1) bis zum axialen Austritt (6) verjüngt und durch ein in Höhenlage und Exzentrizität justierbares Einbauteil (3), das in den Drallraum eingesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Drallkammer (5) eingesetzte Einbauteil (3) ke­ gelförmig, zylindrisch oder polygon geformt ist und zen­ trisch oder mit einer definierten Außermittigkeit angeord­ net ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch Steuerung der Gleich- oder Ungleichför­ migkeit der axialen Abströmung durch das Einbauteil. (3, 8, 11, 13).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Höhe des Einbauteils (3, 8, 11, 13) geringer als die der Wirbelkammer (5) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch zwei axiale, in der Drallkammer angeord­ nete Auslässe (6, 10).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß kegelförmige, zylindrische oder polygonal geformte Einbau­ teile mit einer axialen Verbindung (12) zwischen den beiden axialen Auslässen (6, 10) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkammer doppeltsymmetrisch ausgebildet ist (Fig. 8).

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der tangentiale Einlauf (9) sich bis zur Drallkammer verjüngt (Fig. 9).

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die tangentiale und die axiale Öffnung unterschiedlich groß sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch die Anordnung mehrerer tangentialer Zuläufe.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausgangsöffnung als diffusor­ artig erweitertes Rohrstück ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drallkammerbasis eine Form, die nicht die Kreisform hat, aufweist und damit auch die Drallraummantelfläche entsprechend anders als konusförmig ausgestaltet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbauteil (3) translatorisch in Achsrichtung und/oder senkrecht zur Achsrichtung justierbar ausgebildet ist (Fig. 1-Fig. 9).

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise zylindrische Einbauteil oben mit einer kugelförmigen, parabelförmigen, kegelförmigen Kappe abgeschlossen ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Einbauteil eine achsparallele Bohrung hat.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Einbauteil kegelförmig (Fig. 3, 4-Fig. 6, 7) ist und einen abgerundeten, parabelförmi­ gen, kegelstumpfförmigen oder abgerundet kegelförmigen Kopf hat.

17. Verfahren für eine unter Druck stehende Strömung, wobei einer Rohrströmung eine nahezu beliebig über den Quer­ schnitt verteilte Spiralbewegung erteilt wird, wobei eine nahezu gleichförmig verteilte Spiralbewegung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß umgelenkt oder verzweigt wird, indem aus der tangentialen Zuströmung eine senkrecht hierzu gehende axiale Abströmung durch Richten der Strömung ge­ macht wird, wobei die tangentiale Zuströmung sich in Rich­ tung des axialen Rohres verjüngt und daß im Bereich der Drallaufbringung die Strömung gegen einen in Höhe und Ex­ zentrizität justierbaren Strömungslenker und Gleichrichter geführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich- oder Ungleichförmigkeit der axialen Abströmung durch das Einbauteil gesteuert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spiralbewegung mit Hilfe des Einbau­ teils insbesondere rotationssymmetrisch eingestellt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druck der Strömung umgelagert, die Strömung geführt und der Wirbelkern stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckumlagerung unabhängig vom Durchfluß hervorgerufen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckumlagerung erfolgt durch Neigung der konusförmigen Mantelfläche des Drallkammeraufsatzes.

22. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und des Verfahrens nach einem der Ansprüche 17 bis 21 auf die Anströmung von Einläufen für Rundbecken, Sandklassie­ rern, Wirbelabscheidern, Hydrozyklonen bzw. Wirbelreini­ gern, Fliehkraftsabscheidern, Hydrozyklonabscheider sowie verteilerbauwerken für ankommende Wassermassen.