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Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Vorrichtungen zum
Mischen einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit, insbesondere - jedoch
nicht ausschließlich - von trockenem Zement und Wasser zur Bildung einer
Zementschlämme zur Verwendung in einer Erdöl- oder Erdgasbohrung.
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Nach dem Bohren eines Erdöl- bzw. Erdgasbohrlochs wird normalerweise ein
Rohrstrang, der auch als Futterrohrfahrt bezeichnet wird, in das Bohrloch
abgesenkt und in diesem gesichert, um einen Nachfall zu verhindern und es zu
ermöglichen, daß eine oder mehrere Einzelzonen in der geologischen Formation
bzw. den Formationen, die von der Bohrung durchdrungen werden, so durchbohrt
werden, daß Erdöl oder Erdgas nur von dieser Zone bzw. diesen Zonen an den
Bohrlochmund fließt. Dieses Futterrohr wird normalerweise mit Zement im
Bohrloch gesichert, der oberirdisch gemischt wird und durch die offene Mitte
der Futterrohrfahrt und zurück im Ringraum nach oben gepumpt wird, der
zwischen dem Außendurchmesser des Futterrohrs und dem Innendurchmesser des
Bohrlochs vorhanden ist.
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Die für ein bestimmtes Bohrloch zu verwendende Zementmischung muß
normalerweise bestimmte Eigenschaften aufweisen, auf deren Grundlage sich die
als Schlämme bezeichnete Mischung für die Umgebung des Bohrlochs eignet, in
der diese verwendet werden soll. So können beispielsweise bei Bohrlöchern
Unterschiede in den Abwärtsbohrloch-Drücken, Temperaturen und geologischen
Formationen vorhanden sein, die verschiedene Arten von Zementschlämmen
erfordern. Eine erforderliche Art von Zementschlamme, die normalerweise
wenigstens teilweise durch die benötigte Dicke charakterisiert ist, wird durch
Labortests und Vor-Ort-Erfahrung für eine bestimmte Aufgabe gewählt.
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Nach erfolgter Wahl der gewünschten Zementschlämmen-Art muß diese vor
Ort am Bohrloch genau hergestellt werden. Erfolgt dies nicht, können sich
negative Folgen ergeben. Während des Mischprozesses wird die Schlämmendichte
normalerweise durch die jeweils zugegebene Wassermenge gesteuert. Eine
unzureichende Wassermenge in der Schlämme kann zu einer zu hohen Dichte führen
und beispielsweise zu einem ungenügenden Volumen der in das Bohrloch
eingebrachten Schlämme. Auch kann die Vollständigkeit des Mischprozesses die
endgültigen Eigenschaften der Schlämme beeinträchtigen. Eine schlecht
durchmischte Schlämme kann einen unzureichenden Verbund zwischen Futterrohr
und Bohrloch ergeben. Ein weiteres Beispiel des Erfordernisses eines richtigen
Mischens der gewählten Zementschlämme besteht darin, daß Zusätze, wie z. B.
Flüssigkeitsverlust-Stoffe und Abbindeverzögerer, sofern verwendet,
gleichmäßig in der Schlämme verteilt sein müssen, damit ein vorzeitiges
Erhärten der Schlämme verhindert wird. Hierfür wird eine ausreichende
Mischenergie im Schlämmenmischprozeß benötigt. Allgemeiner gesagt, ist es
wünschenswert, eine gleichmäßige, homogene Schlämme durch den Mischprozeß zu
erhalten. Dies sollte schnell erfolgen, damit überwachte Proben der Schlämme
repräsentativ für das größere Volumen sind und damit trockene und nasse Stoffe
völlig bzw. gründlich zum Erhalt der gewünschten Schlämme kombiniert werden.
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Die oben genannten Zielsetzungen sind bekannt, und es sind Versuche
unternommen worden, diese mit kontinuierlich mischenden Anlagen zu erreichen.
Im allgemeinen mischen diese Anlagen zunächst trockenen Zement und Wasser
durch einen Einlaufmischer, der in ein Gefäß austrägt, in dem ein oder mehrere
Rührwerke die entstehende Mischung der Stoffe rühren. Der Vorgang ist
kontinuierlich, wobei die über das Fassungsvermögen des Gefäßes hinausgehende
Schlämme über ein Wehr in ein benachbartes Gefäß überfließt, in dem ebenfalls
ein Rühren erfolgt, und von dem Schlämme in das Bohrloch hinuntergepumpt wird.
Diese Anlagen weisen normalerweise eine Art von Umwälzung von dem einen oder
anderen Gefäß zurück in den Einlaufmischer und das erste Gefäß auf, damit ein
Durchschnittsbildungseffekt sowie möglicherweise eine Mischenergie erhalten
wird. Ein oder mehrere Dichtemesser werden normalerweise in den Anlagen zur
Überwachung der Dichte verwendet (dies ist die Vorrichtung, die das
Bedienungspersonal zur Ermittlung des ZementlWasser-Verhältnisses benutzt),
wobei dies die Haupteigenschaft ist, die zur Bestimmung der Art der
Zementschlämme dient.
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Obgleich diese Mischanlagen eine bedeutende Nützlichkeit aufweisen,
sucht die Erdöl- und Gasindustrie heute nach Anlagen, die eine Durchmischung
liefern, die besser als die mit derartigen kontinuierlichen Mischanlagen
erzielbare Mischung ist. Es konnte beobachtet werden, daß die Einlaufmischer-
Konfiguration bei einigen früheren Anlagen eine unangemessene Mischenergie
liefert und das Mitschleppen von Luft bewirkt, anstatt dieses zu reduzieren.
Übermäßiges Mitschleppen von Luft kann die Dichtemessungen negativ
beeinflussen, wodurch dann die Kontrollsysteme und damit die sich ergebenden
Eigenschaften der Schlämme beeinträchtigt werden. Eine unzureichende Mischung
kann auch zu "Staubs treuen" (Entweichen von ungemischtem trockenem Zement aus
dem Mischer) führen. Zu anderen Mängeln wenigstens einiger früherer
kontinuierlicher Mischanlagen zählen die Notwendigkeit der Steuerung mehrerer
Wassermischventile, und bei wenigstens einer Anlagenart drosselt eines dieser
Ventile den Druck der Wasserquelle vor der Stelle, an der das Mischen erfolgt,
so daß ein großer Teil der Mischenergie verlorengeht. Wenigstens ein früheres
System weist ein primäres Wassereinlaßventil auf, das einen einstellbaren
konischen Bereich hat, der durch im Wasser enthaltene Partikel verstopft wird.
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Die Patentschrift US-A1947851 bezieht sich auf einen Mischapparat, der
aus einem Gerät zur Herstellung einer Mischung aus einer trockenen Substanz
und einer Flüssigkeit besteht und folgendes umfaßt: Durchlaufmischvorrichtung
zum Mischen einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit, wobei diese
Durchlaufmischvorrichtung einen Umwälzeinlaß, ein Gefäß mit der genannten
Durchlaufmischvorrichtung darin, wobei das Gefäß oben einen größeren
Querschnitt als am Boden aufweist sowie ein Rührwerk in dem genannten Gefäß
und eine Umwälzvorrichtung, die an das genannte Gefäß und den genannten
Umwälzeinlaß angeschlossen ist.
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Wir haben nun einen verbesserten Mischapparat erfunden, der speziell,
aber nicht ausschließlich, für das Mischen von trockenem Zement und Wasser zum
Einsatz bei der Auszementierung von Bohrlöchern nützlich ist.
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Der Mischapparat der vorliegenden Erfindung ist hauptsächlich dadurch
charakterisiert, daß: die Durchlaufmischvorrichtung einen zweiten Umwälzeinlaß
aufweist, der ebenfalls mit der Umwälzvorrichtung verbunden ist, das Rührwerk
geneigt im Gefäß angeordnet ist, und daß die Durchlaufmischvorrichtung einen
Einlaßverteiler aufweist, der die Flüssigkeit durch eine Einlaßöffnung erhält
und die Flüssigkeit in einem Abwärtsstrom durch eine Austrittsöffnung leitet,
und daß eine Einlaßhülse, die die trockene Substanz durch ein oberes Ende
erhält und die trockene Substanz in einem abwärts gerichteten Fluß durch ein
unteres Ende leitet, wobei die genannte Einlaßhülse durch den genannten
Einlaßverteiler geführt ist, eine Ventilplatte konzentrisch um die genannte
Einlaßhülse neben der genannten Austrittsöffnung des genannten
Einlaßverteilers angeordnet ist, durch die die Flüssigkeit abwärts fließt,
eine Meßblende konzentrisch um besagte Einlaßhülse neben der genannten
Ventilplatte angeordnet ist, und eine Flüssigkeitsspritzvorrichtung, die neben
dem genannten unteren Ende der genannten Einlaßhülse angeordnet ist und in
Verbindung mit dieser sowie in Verbindung mit der genannten Meßblende steht,
die so angeordnet ist, daß diese Flüssigkeit in einen abwärts gerichteten,
spiralförmigen Strom leitet, die vom Abwärtsfluß vom genannten Einlaßverteiler
durch die genannte Meßblende geführt wird, wie von der genannten Ventilplatte
gesteuert, so daß der Abwärtsfluß der trockenen Substanz, die von der
genannten Einlaßhülse geleitet wird, mit der Flüssigkeit im abwärts
gerichteten spiralförmigen Strom gemischt wird.
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Laut vorliegender Erfindung ist es möglich, einen Apparat zu erstellen,
das zum Mischen von dicken Schlämmen sowie von konventionelleren Schlämmen
verwendet werden kann. Auf diese Weise kann eine hohe Mischenergie mit
erhöhtem Rollen der Schlämme im Gefäß mit erhöhtem Umwälzraten geliefert
werden. Auch kann die vorliegende Erfindung trotz der hohen Mischenergie das
Mitschleppen von Luft reduzieren.
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Außerdem ist es laut der Erfindung möglich, erhöhte Mischraten zu
erzielen und die eingegebenen trockenen Substanzen gründlicher zu benetzen, so
daß nur eine geringe oder keine Staubbildung vorhanden ist.
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In einer bevorzugten Ausführung weist die Einlaßhülse mehrere schräge
angeordnete Nuten auf, mit denen die Flüssigkeitsströme, die aus den Öffnungen
austreten, zu denen die Löcher passen, so leiten, daß die gerichteten Ströme
einen Fluß bilden, der um die Achse der Einlaßhülse zirkuliert. Diese
bevorzugte Anordnung umfaßt weiterhin einen Diffusorteil, der so an den
Axialkörper angeschlossen ist, daß der zirkulierende Fluß zur Änderung von
dessen Flußrichtung auf den Diffuserteil stößt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen, worin:
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BILD 1 eine schematische Darstellung einer Ausführung des Mischapparats
der vorliegenden Erfindung ist,
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BILD 2 eine Seitenansicht mit Teilschnitten eines Axialflußmischers des
in BILD 1 gezeigten Mischapparats ist,
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BILD 3 eine Draufsicht einer Meßblende eines Ventils des in BILD 2
gezeigten Axialflußmischers ist,
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BILD 4 ein Seitenansichtschnitt der Meßblende entlang Linie 4-4 ist, wie
in BILD 3 gezeigt,
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BILD 5 eine Draufsicht einer Ventilplatte des Ventils des in BILD 2
gezeigten Axialflußmischers ist,
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BILD 6 ein Seitenansichtsschnitt der in BILD 5 gezeigten Ventilplatte
entlang Linie 6-6 ist,
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BILD 7 eine Draufsicht des Wasserspritzteils des Ventils des in BILD 2
gezeigten Axialflußmischers ist,
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BILD 8 ein Seitenansichtsschnitt des in BILD 7 gezeigten
Wasserspritzteils entlang Linie 8-8 ist,
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BILD 9 ein Seitenansichtsschnitt einer Ecke des in BILD 7 gezeigten
Wasserspritzteils entlang Linie 9-9 ist,
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BILD 10 ein Seitenansichtsschnitt eines Teils des in BILD 7 gezeigten
Wasserspritzteils entlang Linie 10-10 ist
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BILD 11 eine Draufsicht eines Diffusors des in BILD 2 gezeigten
Axialmischers ist,
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BILD 12 eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführung des in BILD 1
schematisch dargestellten Mischapparats ist,
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BILD 13 ein Draufsicht eines Gefäßes des in BILD 12 gezeigten
Mischgefäßes ist,
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BILD 14 eine Seitenansicht des auf einem Schlitten montierten, in BILD
12 gezeigten Gefäßes des Mischapparats ist,
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BILD 15 eine weitere Seitenansicht des Gefäßes des in BILD 12 gezeigten,
auf einem Schlitten montierten Mischapparats ist,
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BILD 16 eine Draufsicht einer weiteren Ausführung der Ventilplatte ist,
BILD 17 ein Seitenansichtsschnitt der Ventilplatte von BILD 16 ist, der
entlang der Linie 17-17 laut BILD 16 genommen wurde.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung
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In BILD 1 ist ein Mischapparat 102 der vorliegenden Erfindung
schematisch dargestellt. Der Apparat 102 erzeugt eine Mischung von wenigstens
2 einen Bestandteil bildenden Substanzen. Zur Vereinfachung bezieht sich die
folgende Beschreibung als Beispiel auf das Mischen von Zement und Wasser zur
Erstellung einer Schlämme für die Verwendung bei der Zementierung eines
Futterrohrs in einem Bohrloch. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf
derartige spezifische Substanzen oder Anwendungen beschränkt. Obwohl die
bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung insbesondere für das Mischen
einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit angepaßt ist, hat die
vorliegende Erfindung daher eine breiter angelegte Nützlichkeit (wie z.B.
Mischen von Flüssigkeit und Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Gas).
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Die wichtigsten Bauteile des Apparats 102 sind in BILD 1
veranschaulicht. Hierzu gehören eine Durchlaufmischvorrichtung 104 zum Mischen
der trockenen Substanz und der Flüssigkeit in einem abwärts gerichteten
spiralförmigen Strom, ein Gefäß 106, in dem die Durchlaufmischvorrichtung 104
angeordnet ist, ein Rührwerk 108, das geneigt im Gefäß 106 so angeordnet ist,
daß das Rührwerk 108 bei Aktivierung die von der Durchlaufmischvorrichtung 104
erhaltene Mischung im Gefäß zirkuliert, und eine Umwälzvorrichtung 110, die an
das Gefäß 106 und die Durchlaufmischvorrichtung 104 angeschlossen ist und zur
Umwälzung der Mischung vom Gefäß 106 in dem abwärts gerichteten,
spiralförmigen Strom innerhalb der Durchlaufmischvorrichtung 104 dient. Durch
die konstruktions- und funktionsmäßige Beziehung dieser Elemente wird eine
Zementschlämme 112 im Innenraum des Gefäßes 106 erzeugt. Diese Elemente werden
nachstehend unter Bezugnahme auf BILD 2-15 genauer beschrieben.
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Die bevorzugte Ausführung der Durchlaufmischvorrichtung 104 ist in BILD
2 gezeigt, und die bevorzugte Ausführung der einzelnen Bauteile hiervon sind
im einzelnen in BILD 3-11, 16 und 17 gezeigt.
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Bei der bevorzugten Ausführung ist die Durchlaufmischvorrichtung 104 ein
Axialmischer, der Zement axial vom Einlaß zum Auslaß des Mischers fördert. Das
heißt, daß keine Kniestücke oder Horizontalrohre vorhanden sind, durch die der
Zement während der Mischung mit Wasser vor dem Eintrag in den Körper der
Schlämme 112 im Gefäß 106 gefördert werden muß. Zu anderen Hauptfunktionen des
Mischers 104 zählen:
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1. Zusetzen von Wasser durch ein einzelnes Regelventil zu losem
Zement, der durch den Einlauf des Mischers eingebracht
wird -vorzugsweise ist die Beziehung zwischen der Funktion des einzelnen
Regelventils und der sich ergebenden Wasserdurchflußmenge linear (oder
eine andere wünschenswerte Beziehung), und das Wasser sollte
vorzugsweise zur Nutzung aller bzw. im wesentlichen aller verfügbaren
Wasserenergie beim Mischprozeß zugesetzt werden.
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2. Mischen der umgewälzten Schlämme mit dem einströmenden Wasser und
Zement bei erhöhten Umwälzungsraten zur effektiveren Durchmischung des
frisch gemischten Zements und Wassers.
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3. Verringern des Mitschleppens von Luft auf ein Minimum durch
Verteilen der Energie der umgewälzten und frisch gemischten Schlämme auf
der Oberfläche des Schlämmenkörpers 112 im Gefäß 106.
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4. Verringern des Zementstaubs auf ein Minimum durch Benetzen der
Staubpartikel, bevor diese aus dem Mischer austreten.
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5. Ausschalten der Notwendigkeit eines Wasser-Umgehungsventils.
Diese Funktionen werden durch die Ausführung des in BILD 2 gezeigten
Apparats 104 realisiert.
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Unter Bezugnahme auf BILD 2 enthält die bevorzugte Ausführung der
Durchlaufmischvorrichtung 104 einen Einlaßteil 114, der bei der bevorzugten
Ausführung ein Einlaßverteiler für das Wasser ist. Der Einlaßverteiler 114
enthält eine ringförmige obere Platte 116, eine ringförmige Bodenplatte 118,
die eine mittige Öffnung mit einem größeren Durchmesser als die mittige
Öffnung von Platte 116 aufweist, und eine zylindrische Seitenwand 120, die an
und zwischen den Platten 116, 118, z. B. durch Schweißen, angebracht ist. Wie
in BILD 2 gezeigt, sind diese Bauteile relativ so zueinander angeordnet, daß
eine axiale Öffnung 122 gebildet wird. Der untere Teil der axialen Öffnung 122
weist eine Austrittsöffnung 124 auf, durch die das vom Verteiler erhaltene
Wasser vor dem Mischen mit Zement abwärtsfließt. Dieses Wasser wird durch eine
Einlaßöffnung 126 erhalten, die durch eine horizontale Hülse 124 (wie in BILD
2 gezeigt) gebildet wird, die an die Seitenwand 120 angeschlossen ist und in
Verbindung mit einer hierin angeordneten Öffnung 130 steht. Die
Austrittsöffnung 124 steht mit der Eintritts- oder Einlaßöffnung 126 über
einen ringförmigen Innenbereich 132 in Verbindung, der gebildet wird, wenn der
Einlaßverteiler 114 an ein Einlaßteil 134 in der axialen Öffnung 122
angeschlossen wird, wie in BILD 2 gezeigt. Der Einlaßverteiler 114 und der
Einlaßteil 134 sind, z. B. durch Schweißen, miteinander verbunden.
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Der Einlaßteil 134 ist eine Hülse mit einer zylindrischen Wand 136, die
einen axialen Durchgang 138 zwischen dem oberen und unteren (laut Ausrichtung
in BILD 2) Ende 140, 142 der Hülse 134 bildet. Das obere Ende 140 kann an ein
konventionelles Massenzementventil (nicht gezeigt) angeschlossen werden, so
daß die Hülse 134 Zement durch das obere Ende 140 erhält und diesen in einem
abwärts gerichteten Fluß durch das untere Ende 142 leitet. Insbesondere ergibt
die Hülse 134 eine gerade Fließbahn für den Zement zwischen dem Auslaß des
Zementventils und dem Auslaß der Hülse 134, wo der Zement in ein Ventil 144
der Durchlaufmischvorrichtung 104 eintritt.
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Das Ventil 144 dosiert das Wasser, das mit dem trockenem Zement zu
mischen ist, der aus der Einlaßhülse 134 austritt. Das Ventil 144 enthält eine
Meßblende 146, eine Ventilplatte 148 und eine Vorrichtung 150 zum Einspritzen
von Flüssigkeit (insbesondere Wasser bei dem Beispiel der vorliegenden
Beschreibung) in das Zementgemisch. Die Meßblende 146 einer bestimmten
Konstruktion enthält achtzehn Blenden oder Löcher, und die Ventilplatte 148
ist so konstruiert, daß diese erst sechs der achtzehn Löcher öffnet und dann
zusätzliche weitere sechs Löcher, wenn die Ventilplatte 148 weitergedreht
wird, und schließlich werden die letzten sechs Löcher bei einer weiteren
Drehung geöffnet. Hierdurch ergibt sich eine maximale Lochabmessung oder ein
maximaler Durchgangsdurchmesser für eine gegebene Durchflußmenge im Vergleich
zu einer Anlage, bei der der gesamte Durchgang möglicherweise gleichzeitig
geöffnet wird. Diese gesteuerte Öffnung ist wichtig für den Durchgang von
Verunreinigungen, die die Dosieröffnungen blockieren können.
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Das Mischwasser fließt bei seinem Austritt aus der Meßblende 146 in
axialer Richtung und wird anschließend gewendet und zum Zementstrompfad
gerichtet, der von der Hülse 134 kommt. Diese Wendung der Wasserflußrichtung
wird durch die Spritzvorrichtung 150 hervorgerufen, die in der bevorzugten
Ausführung Nuten aufweist, die mit den Öffnungen der Meßblende 146
übereinstimmen. Auf diese Weise ändert die Spritzvorrichtung 150 die Richtung
des Mischwassers von axial abwärts auf leicht tangential und abwärts.
Hierdurch wird eine abwärts gerichtete, spiralförmige Flüssigkeitssäule
geschaffen, die um eine offene Mitte oder Iris zirkuliert. Bei einer
bevorzugten Ausführung sind die jeweiligen Tiefen der Nuten der
Spritzvorrichtung 150 so gestuft, daß bei hohen Durchflußmengen ein Rückfluß
aufwärts im Durchgang 138 verhindert wird.
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Unter Bezugnahme auf BILD 3 und 4 hat die Meßblende 146 einen
Ringraumteil 152 mit einer mittigen Öffnung 153, die eine innere Peripherie
154 aufweist, um die die Öffnungen angeordnet sind. Die Öffnungen der
bevorzugten Ausführung weisen drei Sätze von Öffnungen 156a, 156b und 156c
unterschiedlicher Größe auf. Jeder Satz umfaßt sechs Öffnungen gleicher Größe.
Bei der gezeigten Ausführung haben die Öffnungen 156a den kleinsten
Durchmesser, die Öffnungen 156b einen größeren und die Öffnungen 156c den
größten Durchmesser der drei Sätze. Diese sind der Reihe nach und in gleichen
Abständen um die innere Peripherie 156 angeordnet, wie am besten in BILD 3 zu
sehen. Die Öffnungen können die gleiche Größe oder verschiedene Größen
aufweisen und anders angeordnet sein.
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An der inneren Peripherie 154 ist außerdem eine Kerbe oder ein Ansatz
angeordnet, der durch eine ringförmige Fläche 158 und eine angrenzende,
senkrecht verlaufende zylindrische Fläche 160 definiert ist.
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Der Ringteil 152 hat auch eine Außenperipherie 162, durch die Löcher 164
gebohrt sind. Die Löcher 164 dienen zur Aufnahme von Befestigungsschrauben,
von denen zwei in BILD 2 gezeigt sind, die die Bezugsnummer 166 aufweisen und
durch Distanzstücke 186 geführt sind.
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Wenn die Meßblende 146 mit den Befestigungsschrauben 166 mit dem
Einlaßverteiler 114 verbunden wird, werden die Öffnungen 156 unterhalb der
Austrittsöffnung 124 des Einlaßverteilers 114 angeordnet. Die Meßblende 146
ist außerdem auch konzentrisch zur Einlaßhülse 134 angeordnet. Wie auf BILD 2
gezeigt, stößt das untere Ende 142 der Hülse 134 an der inneren Peripherie 154
der Meßblende 146 an die ringförmige Fläche 158 an. Dadurch ist der Einsatz
eines Dicht rings 168 zur Abdichtung gegen die zylindrische Fläche 160 der
Meßblende 146 möglich, wie in BILD 2 veranschaulicht. Außerdem wird die
Meßblende dadurch auch darunter und neben der Ventilplatte 148 angeordnet.
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Die konzentrische Anordnung der Ventilplatte 148 zur Einlaßhülse 134
neben der Austrittsöffnung 124 des Einlaßverteilers 116 ist in BILD 2 gezeigt.
Die Ventilplatte 148 ist schwenkbar an der Meßblende 146 befestigt, so daß die
Stellung, in die die Ventilplatte 148 geschwenkt wird, bestimmt, welche
Öffnungen 156 zum Durchlassen von Flüssigkeit geöffnet sind. Die
Gesamtkonstruktion der Ventilplatte 148 ist deutlicher in BILD 5 und 6
gezeigt. Anhand dieser Zeichnungen ist offensichtlich, daß die bevorzugte
Ausführung der Ventilplatte 148 einen Ring 170 aufweist, von dem sich ein
Betätigungsarm 172 radial nach außen erstreckt. Der Arm 172 kann durch eine
geeignete (nicht gezeigte) Betätigungsvorrichtung eingerückt werden.
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Der Ring 170 weist eine Außenperipherie auf, von der der Arm 172
ausgeht. Der Ring 170 weist auch eine mittige Öffnung 173 auf, die eine innere
Peripherie hat, die eine gekerbte oder gezahnte Konfiguration aufweist, wie am
deutlichsten im BILD 5 zu sehen. Diese Konfiguration weist einen Satz Zähne
174a, einen Satz Zähne 174b und einen Satz Zähne 174c auf. Jeder dieser Zähne
in dem entsprechenden Satz hat die gleiche Breite, und die Breite jedes der
Zähne 174c ist größer als die Breite jedes der Zähne 174b. Jeder Zahn 174b
weist eine Breite auf, die größer als die Breite jedes der Zähne 174a ist.
Diese Bemessung entspricht der unterschiedlichen Größe der Öffnungen 156a,
156b, 156c der Meßblende 146 und der gewünschten Abfolge für das Öffnen der
Öffnungen 156a, 156b, 156c. Wenn das Wasserdosierventil 144 voll geschlossen
ist, überlagert daher jeder Zahn 174a eine entsprechende Öffnung 156a,
überlagert jeder Zahn 174b eine entsprechende Öffnung 156b und jeder Zahn 174c
eine entsprechende Öffnung 156c. Diese Stellung wird durch Schwenken der
Ventilplatte 146 nach oben erreicht, wie in BILD 5 gezeigt, bzw. nach innen,
wie aus BILD 2 hervorgeht. Die jeweilige Schraube 166, die hinter der rechten
Schraube 166 laut Abbildung 2 liegt, begrenzt die Drehung der Ventilplatte 148
in dieser Richtung. Die Öffnungssätze 156a, 156b, 156c werden fortschreitend
geöffnet, wenn der Betätigungsarm 172 der Ventilplatte 148 im Uhrzeigersinne
auf die in BILD 5 gezeigte Ausrichtung gedreht wird oder aus dieser Position
heraus zur Ausrichtung, wie in BILD 2 gezeigt. Diese Drehrichtung wird
begrenzt, wenn der Betätigungsarm gegen die rechte Schraube 166 anstößt, wie
in BILD 2 gezeigt. Eine der Öffnungen 156a, 156b, 156c wird geöffnet, wenn
eine entsprechende Öffnung oder ein entsprechender Platz 176a, 176b, 176c
zwischen den Zähnen 174a, 174b, 174c die entsprechende Öffnung der inneren
Peripherie der Meßblende 146 überlagert bzw. mit diesen übereinstimmt. Auf
diese Weise stellen diese Elemente der Ventilplatte 148 eine Möglichkeit
gleichzeitigen Öffnen der Löcher 156a, 156b, 156c eines jeweiligen Satzes als
Reaktion auf die Schwenkung der Ventilplatte 148 dar. Bei der bevorzugten
Ausführung ist die Abfolge der Öffnung dieser Löcher so, daß eine Überlappung
entsteht. So beginnt sich beispielsweise der Öffnungssatz 156b zu öffnen,
bevor der Öffnungssatz 156a voll geöffnet ist. Durch diese Überlappung wird
der Durchflußbereich in Bezug auf die jeweilige Stellung viel weicher, und er
kann nach Bedarf so eingerichtet werden, daß eine fast geradlinige Reaktion
erzielt werden kann.
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Innerhalb des Körpers von Ring 170 sind zwei Nuten 178, 180 vorhanden.
Nut 178 ist in einer Fläche des Rings 170 gegenüber der Meßblende 146
angeordnet, und Nut 180 ist in einer Fläche des Rings 170 gegenüber bzw. von
der Meßblende 146 hinweg angeordnet. Diese werden mit Dichtungen (z. B. mit
O-Ringen) 182 bzw. 184 versehen, wie in BILD 2 gezeigt, um eine Abdichtung
gegen die obere Fläche der Meßblende 146 bzw. der unteren Fläche des
Einlaßverteilers 114 zu bilden. Die Dichtungsnut 180 weist einen größeren
Durchmesser als die Nut 178 auf, und daher erfaßt die Nut 180 eine größere
Fläche der Ventilplatte 148 als die Nut 178. Der Druck, der während des
Betriebs vorhanden ist, wirkt auf die größere Oberfläche von Ventilplatte 148,
die mit der Dichtung 184 abgedichtet ist, um einen Vordruck auf Platte 148
nach unten gegen die Meßblende 146 auszuüben, wodurch Lecks zwischen Meßblende
146 und Ventilplatte 148 auf ein Minimum reduziert werden.
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Die Ventilplatte 148 wird durch die konzentrische Anordnung zur
Einlaßhülse 134 in Position gehalten. Dadurch bleiben die Öffnungen 153
(Meßblende 146) und 173 (Ventilplatte 148) ausgerichtet. Jedoch kann dadurch
die Ventilplatte 148 relativ zur Meßblende 146 verschoben werden, so daß die
Öffnungen 176 der Ventilplatte 148 wählbar auf die Öffnungen 156 der Meßblende
146 eingestellt werden können, um den Fluß des Wassers zu steuern, das von der
Austrittsöffnung 124 des Einlaßverteilers 114 zum Mischen mit dem Zement
empfangen wird, der axial durch den axialen Durchgang 138 der Einlaßhülse 134
bezogen wird.
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In BILD 16 und 17 ist eine weitere Ausführung der Ventilplatte gezeigt,
die hier mit der Bezugsnummer 148A bezeichnet werden soll. Die Ventilplatte
148A weist die gleichen Merkmale wie die Ventilplatte 148 auf, wie durch die
Verwendung derselben Bezugsnummern angedeutet ist. Jedoch enthält der Ring 170
der Ventilplatte 148A zwei trennbare Elemente. Bei dem einen Element handelt
es sich um eine ringförmige äußere Stütze 278, von der der Betätigungsarm 172
ausgeht. Die Stütze 278 wird vorzugsweise aus einem geeigneten Metall
hergestellt, wie die gesamte Ausführung der vorher beschriebenen Ventilplatte
148. Bei dem anderen Element handelt es sich um einen ringförmigen Einsatz
280, der innerhalb der Stütze 278 so angeordnet ist, daß der Einsatz 280 eine
Dichtung gegen die Meßblende 146 als Reaktion auf den Druck herstellt, wenn
eine Substanz durch Ventil 144 fließt. Der Einsatz 280 wird vorzugsweise aus
einem geeigneten Werkstoff, wie z. B. einem geeigneten Kunststoff,
hergestellt, der Erosion und Korrosion von Substanzen widersteht, die durch
Ventil 144 fließen, und der wenigstens eine gewisse Verformung zur Abdichtung
gegen die Fläche der Meßblende 146 bietet, wenn ein Fluß durch Ventil 144
vorliegt. Dies ist bevorzugt, weil an der inneren Peripherie von Ring 170
verwendetes Metall Erosion oder Korrosion unterliegen kann und weil außerdem
ein MetalllMetall-Kontakt zwischen der Meßblende 146 und der Ventilplatte 148
möglicherweise nicht eine gewünschte Abdichtung bietet.
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Der Einsatz 280 liegt an der Innenperipherie von Ring 170, in dem die
Zähne 174 und die Öffnungen 176 angeordnet sind. Der Einsatz 180 selbst weist
eine Außenperipherie auf, von der die Vorsprünge 282 ausgehen. Diese werden
lösbar in Rücksprüngen 284 aufgenommen, die an der inneren Peripherie der
äußeren Stütze 278 angeordnet sind. Diese bilden Zapfenverbindungen, die den
Einsatz 280 so halten, daß dieser in Reaktion auf die Drehung der Stütze 278
rotiert, die jedoch zulassen, daß Einsatz 280 linear in Relation zur Stütze
278 getrennt verschiebbar ist (d. h. der Einsatz 280 kann aus den Verbindungen
"herausgedrückt" und von der Stütze 278 befreit werden, wenn das Ventil 144
zerlegt wird).
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Die oben beschriebene Meßblende 146 und die Ventilplatte 148 (oder 148A)
sind in der bevorzugten Ausführung so ausgelegt, daß sie ein Ventil liefern,
durch das Flüssigkeit bei verschiedenen Strömungsmengen mit einer konstanten
Geschwindigkeit geführt werden kann. In diesem Zusammenhang bedeutet
"konstante Geschwindigkeit" nicht, daß absolut keine Geschwindigkeitsdifferenz
vorliegt, sondern der Begriff umfaßt auch kleine Geschwindigkeitsunterschiede,
die für den praktischen Zweck, dem diese Erfindung dient, nicht weiter
signifikant sind. Bei dem Beispiel des Zementmischens in der Erdöl- und
Erdgasumgebung, auf die hier Bezug genommen wird, kann eine Konstruktion, die
beispielsweise eine Geschwindigkeit innerhalb von 5 % der Nenngeschwindigkeit
erreicht, als eine Ausführung angesehen werden, die "eine konstante
Geschwindigkeit" erreicht. Eine Gleichung, mit der der Durchfluß durch eine
Meßblende definiert wird, ist Q-KA P, wobei Q die Strömungsmenge
(Fuß³/Minute, 1 ft³=0,028 m³), K eine konstante (Austragskoeffizient), A die
Querschnittsfläche des Stroms (Fuß 2, 1 ft²=0,093 m²) und P der
Differenzdruck ist. Bei einer Zentrifugalpumpe, die Wasser durch Ventil 144
der bevorzugten Ausführung pumpt, kann der Faktor P als im wesentlichen
konstant angesehen werden. Die Pumpe könnte so gesteuert werden, daß ein
Konstantdruck beibehalten wird, doch wird dies bei der bevorzugten Ausführung
von Ventil 144 nicht für erforderlich gehalten, weil die Wirkung der Istdruck-
Änderung in der Praxis nicht als signifikant angesehen wird. Außerdem kann
eine erwartete Druckschwankung bei der Bemessung der Öffnungen 156
berücksichtigt werden. Demgemäß zeigt eine Umstellung der obigen Gleichung zu
Q/A = K P, daß die Geschwindigkeit (Q/A) für eine praktische Realisierung der
bevorzugten Ausführung konstant (K P) ist. Durch den Entwurf der Zahl der
Öffnungen 156 der Meßblende 146 liefern die Öffnungen 156, die für den Fluß
geöffnet werden, einen Durchflußquerschnitt An, der eine resultierende
Strömungsmenge Qn ermöglicht, so daß Qn/An - konstant ist. Das bedeutet, daß
die Meßblende 146 eine Vorrichtung zur Lieferung eines wählbaren Querschnitts
ist, durch den eine Substanz kontrollierbar geführt wird, und daß die
Ventilplatte 148 (148A) eine mit der Blendenvorrichtung verbundene
Einstellungsvorrichtung ergibt, die das Öffnen der Querschnitte An durch die
Blendenvorrichtung ermöglicht, wobei die Querschnitte Durchflüsse der Substanz
mit jeweiligen Strömungsmengen Qa zulassen, so daß die Substanz mit einer
konstanten Geschwindigkeit Qn/An durch Ventil 144 fließt.
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Wie in BILD 2 gezeigt, ist die Flüssigkeitsspritzvorrichtung 150 nahe am
unteren Ende 142 der Einlaßhülse 134 angeordnet, und sie steht in Verbindung
mit der Meßblende 146. Die Flüssigkeitsspritzvorrichtung 150 leitet Wasser in
einen zirkulierenden Fluß, das vom abwärts gerichteten Strom vom
Einlaßverteiler 114 so durch die Meßblende 146 geführt wird, daß der
Abwärtsfluß des Zements von der Einlaßhülse 134 mit dem Wasser in dem
zirkulierenden Fluß gemischt wird.
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Bei der bevorzugten Ausführung der in BILD 2 und 7-10 gezeigten
Spritzvorrichtung wird der zirkulierende Fluß durch die Konstruktion der
Spritzvorrichtung 150 verursacht, die einen Axialkörper 188 aufweist, der mit
mehreren Nuten zum Richten der Wasserströme versehen ist, die aus den
Öffnungen 156 austreten, mit denen die Öffnungen 176 der Ventilplatte 148 so
ausgerichtet sind, daß die gerichteten Flüsse einen Strom bilden, der um eine
Achse 190 des Axialkörpers 188 zirkuliert. Die Achse 190 ist so mit der Achse
der Einlaßhülse 134 ausgerichtet, daß der Axialkörper 188 koaxial in Bezug zur
Einlaßhülse 134 steht. Diese Beziehung wird beibehalten, und der Axialkörper
188 ist mit der vorher beschriebenen Durchlaufmischer-Baugruppe 104 mit Hilfe
eines Sicherungsbunds 192 verbunden, das einen Flansch 194 aufweist, der mit
einem O-Ring 195 versehen ist, und durch den die Sicherungsschrauben 166
geführt sind, wie in BILD 2 gezeigt.
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Der Axialkörper 188 der bevorzugten Ausführung ist eine Flanschhülse,
bei der der Flansch von Bund 192 gehalten wird, wie in BILD 2 gezeigt. Die
Hülse weist eine Innenfläche 196 auf, in der mehrere Nuten am Flanschende der
Hülse der Spritzvorrichtung angeordnet sind, die am unteren Ende 142 der
Einlaßhülse 134 befestigt ist, von wo die Hülse bzw. der Axialkörper 188 eine
Verlängerung bildet. Die Fläche 196 bildet einen axialen Durchgang durch die
Hülse 188. Die Hülse ist an den übrigen Teil des Ventils 144 so angeschlossen,
daß dieser axiale Durchgang mit den mittigen Öffnungen 153, 173 der Meßblende
146 und der Ventilplatte 148 ausgerichtet ist.
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Die auf der Innenfläche 196 angeordneten Nuten weisen drei Größen und
Ausrichtungen auf, die jeweils den Öffnungen 156a, 156b, 156c entsprechen, die
die Nuten überlagern, mit diesen ausgerichtet und auf diese abgestimmt sind.
Die Nuten dieser drei Sätze sind jeweils durch die Bezugszahlen 198a, 198b,
198c gekennzeichnet. Die Form dieser Nuten ist deutlicher in BILD 8-10
gezeigt. Jede der Nuten ist in einem Winkel zu einem Radius der zylindrischen
Form des Axialkörpers gebildet. Jede Gruppe 198 ist in einem Abwärtswinkel von
einer halbkreisförmigen Öffnung am oberen Teil schräge zur Achse 190
angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Nutentiefen in
aufeinanderfolgenden Sätzen gestuft, wobei jede der drei Nuten eines Satzes
eine unterschiedliche Tiefe aufweist (z. B. der Reihe nach tief, tiefer am
tiefsten). Bei hohen Durchflußmengen wird hierdurch ein Rückstrom aufwärts in
den Durchgang 138 verhindert.
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Als Ergebnis der Ausrichtung der Nuten 198 wird das von den Nuten
empfangene Wasser nicht direkt abwärts gewinkelt oder entlang Achse 190
geführt. Stattdessen wird das Wasser in einem Winkel gerichtet, der mit den
Pfeilen 200a, 200b, 200c in BILD 7 angezeigt ist. Das Ergebnis dieser Richtung
des Wassers in einem Winkel besteht darin, daß ein abwärts gerichteter
spiralförmiger Fluß erzeugt wird, wie mit dem Pfeil 202 in BILD 7 angezeigt.
Hierdurch wird ein Hohlraum 204 um die Achse 190 gebildet, der manchmal auch
als Iris bezeichnet wird.
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Als Ergebnis der oben beschriebenen Konstruktion und Funktion der
Meßblende 146, Ventilplatte 148 und Flüssigkeitsspritzvorrichtung 150 weist
das Ventil 144 eine verminderte Tendenz zur Verstopfung durch Partikel im
Mischwasser auf, es hat eine relativ kurze Ansprechzeit beim Öffnen und kann
zur Erzielung verschiedener Verstärkungen mit Hilfe der verschiedenen
Öffnungsgrößen in der Meßblende 146 entsprechend angestimmt werden. Diese
Konstruktion und Funktion ermöglicht auch eine Einzelquelle für die
Wasserkontrolle, wodurch eine leichtere manuelle oder automatische Regelung
möglich ist (d. h. für die Wasserkontrolle braucht lediglich die Ventilplatte
148 betätigt zu werden). Außerdem wird eine höhere Wasserenergie von Pumpen
der gleichen Größe, die bei früheren Anlagen verwendet wurden, geliefert. Der
in der Spritzvorrichtung 150 gebildete abwärts gerichtete spiralförmige Fluß,
in dem eine offene Iris gebildet wird, trägt zur Trennung mitgeschleppter Luft
aus dem WasserlZement-Gemisch und zum Aufbrechen des Zements bei.
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Wie weiter in bild 2 gezeigt, enthält der Durchlaufmischer 104 auch
wenigstens zwei Umwälzeinlässe 206, 208, die im wesentlichen einander
gegenüber und schräge zur gleichen Richtung hin wie die Wasserspritznuten 198
der Spritzvorrichtung 150 angeordnet sind. Das bedeutet, wie in BILD 2
veranschaulicht, daß die Einlässe 206, 208 Hülsen sind, die in einer
Abwärtsrichtung und in einem leicht tangentialen Winkel zur Erzeugung eines
kreisförmigen Strömungsbildes angeordnet sind. Wenn eine Umwälzflüssigkeit
durch die Umwälzeinlässe 206, 208 fließt, tritt die Umwälzflüssigkeit daher in
den zirkulierenden Fluß unterhalb der Einspritzvorrichtung 150 in
Zirkulationsrichtung ein. Die Umwälzeinlässe 206, 208 sind mit einem
Umhüllungskörper oder Gehäuse 210, wie in BILD 2 gezeigt, mit dem Axialkörper
188 der Spritzvorrichtung 150 verbunden. Der Umhüllungskörper 210 erstreckt
sich bis unter die Spritzvorrichtung 150.
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Durch die Verwendung von wenigstens zwei Umwälzeinlässen ist es möglich,
daß ein sehr viel größeres Schlämmenvolumen mit der gleichen Pumpengröße, wie
bei früheren Anlagen verwendet, umgewälzt werden kann. So beträgt
beispielsweise eine typische maximale Umwälzmenge bei einer früheren Anlage
unter Verwendung einer bestimmten Pumpenart 128-1600 dm³ je Minute (8-10
Barrels je Minute), während bis zu etwa 4000 dm³ je Minute (25 Barrels/Minute)
in einer bestimmten Realisierung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung
derselben Pumpenart erzielt werden können. Das erhöhte Volumen und die
gesteigerte Durchflußmenge liefern eine größere Mischenergie im axialen
Durchlaufmischer, wodurch Benetzung und Aufbrechen des trockenen Materials
verbessert werden. Es ist außerdem möglich, den Inhalt des Gefäßes 106
schneller zu rollen, um die ältere Schlämme mit der neuen Mischung zu
durchmischen, so daß ein homogeneres Produkt entsteht. Die Vorrichtung
ermöglicht auch die Umwälzung dickerer Schlämmen, die bekanntermaßen den
einzelnen Umwälzeinlaß bei früheren Anlagen verstopfen können. Außerdem
liefert eine schnellere Umwälzung eine schnellere Dichtemeßreaktion (durch
schnellere Probenahme beim Inhalt des Gefäßes).
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Die Durchlaufmischvorrichtung 104 umfaßt weiter eine Diffusorvorrichtung
212 zur Verteilung des zirkulierenden, abwärts gerichteten Spiralstroms
unterhalb des Umhüllungskörpers 210 am Boden des Mischers 104. Der
zirkulierende Fluß wird durch Berühren der Diffusorvorrichtung verteilt,
wodurch der Strom die Flußrichtung ändert. Die Diffusorvorrichtung 212 ist ein
Teil, der eine unterlegscheibenförmige oder ringförmige Platte 214 aufweist,
mit der mehrere Umlenkbleche 216 verbunden sind. Jedes dieser Umlenkbleche 216
weist eine konkave Oberfläche 218 zum Empfangen des zirkulierenden Flusses und
Ändern der Richtung dieses Flusses auf. Die Umlenkbleche 216 sind mit der
ringförmigen Platte 214 in gleichmäßig angeordneten Abständen verbunden, wie
am besten in BILD 11 erkennbar. Obgleich nicht gezeigt, kann die
Diffusorvorrichtung 212 eine obere Platte zur Verhinderung oder Minderung von
vertikalem Spritzen aufweisen.
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Die Diffusorvorrichtung 212 ist durch den Umhüllungskörper 210 mit dem
Axialkörper 188 der Spritzvorrichtung 150 verbunden, und eine
Einstellvorrichtung zur Einstellung des Abstands der Diffusorvorrichtung 212
ist unterhalb des Umhüllungskörpers 210 angeordnet. Wie in BILD 2 gezeigt,
weist die Einstellvorrichtung mehrere Stangen 220 auf. Das untere Ende der
Stangen 220 ist jeweils an der Diffusorvorrichtung 212 befestigt. Das obere
Ende der Stangen ist verschiebbar in mit Daumenschrauben versehenen
Halterungen 222 am unteren Ende des Umhüllungskörpers 210 befestigt. Die
Einstellvorrichtung ermöglicht eine Einstellung der Diffusorvorrichtung 212
zur Oberfläche des Schlämmenkörpers 112, wenn die Durchlaufmischvorrichtung
104 auf dem Gefäß 106 angeordnet wird, wie in BILD 1 gezeigt.
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Der Außendurchmesser der Diffusorvorrichtung 212 ist größer als der
Durchmesser des Umhüllungskörpers 210. Die Diffusorvorrichtung 212 weist ein
Loch 223 in der Mitte auf, das etwa die gleiche Größe wie das
Zementförderventil aufweist. Die Umlenkbleche oder Flügel 216 sind so in einer
Richtung angeordnet, daß die Rotationsrichtung der Schlämme beim Verlassen des
unteren Gehäuses des Mischers, wie vom Umhüllungskörper 212 gebildet,
umgedreht wird, wodurch die Energieverteilung unterstützt wird.
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Die Diffusorvorrichtung 212 verteilt Energie auf der Oberfläche des
Körpers der Schlämme 112, wenn das Gefäß 106 bis zur vollen Betriebskapazität
gefüllt ist. Diese Energieverteilung trägt zur Minderung des Mitschleppens von
Luft bei. Bei einer bestimmten Realisierung wurde das Mitschleppen von Luft um
etwa 50 bis 90 % relativ zur Luftmitschleppung reduziert, die in einem
früheren System anzutreffen war. Durch das Auftreffen der Schlämme auf die
Diffusorvorrichtung 212 wird außerdem auch das Mischen durch Aufbrechen von
Klumpen trockenen Materials, das vorher benetzt wurde, unterstützt. Aufgrund
der Turbulenz wird auch ein zusätzliches Mischen verursacht. Das Mischen wird
weiter durch das Ziehen (Herausführen) der Schlämme aus dem Bereich unterhalb
des Diffusors durch Loch 223 und Mischen dieser Schlämme mit der neuen
Schlämme im Flügelbereich des Diffusors verbessert.
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Wenn während des Betriebs der Durchlaufmischvorrichtung 104 Zement durch
Schwerkraft durch die Einlaßhülse 134 zugeführt wird, trifft dieser zunächst
auf die Hochgeschwindigkeits-Mischwasserstrahlen, die in der Spritzvorrichtung
150 erzeugt werden. Der Fluß des Mischwassers wird durch die Funktion der
einzelnen Ventilplatte 148 gesteuert. Auch bei niedrigen
Wassergeschwindigkeiten wird der größte Teil des Durchganges durch den
Axialkörper 188 der Spritzvorrichtung 150 vom Mischwasser bedeckt. Daher ist
es schwierig, daß Zement den anfänglichen Mischwasserteil durchläuft, ohne von
Wasser benetzt zu werden. Die am Ende des Axialkörpers 188 der
Spritzvorrichtung 150 aus tretende Mischung von Zement und Wasser wird von den
Strahlen der umgewälzten Schlämme getroffen, die aus den Umwälzeinlässen 206,
208 strömen. Durch diese Zwei-Stufen-Hochgeschwindigkeitsmischung wird die im
Umhüllungsgehäuse 210 abwärts zirkulierende Schlämme gründlich durchmischt und
homogen.
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Bei einer bestimmten Ausführung ist die Diffusorvorrichtung 212 etwa
12,7 cm unterhalb des Umhüllungsgehäuses 210 angeordnet, wobei die
Diffusorvorrichtung 212 etwa 5,1 cm in den Schlämmenkörper 112 eintaucht, wie
in BILD 1 gezeigt. Wenn die Schlämme das Umhüllungsgehäuse 210 verläßt, weist
diese ein abwärts gerichtetes und leicht spiralförmiges Strömungsbild auf.
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Diese Flüssigkeit trifft auf die Diffusorvorrichtung 212 und die
Gefäßflüssigkeit auf und wird nach außen in die Flügel oder Umlenkbleche 216
umgelenkt. Die Umlenkbleche 216 drehen die Flußrichtung vom Uhrzeigersinn in
den Gegenuhrzeigersinn (bei der veranschaulichten Ausführung) um, wodurch zur
Energieverteilung beigetragen wird.
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Es wird angenommen, daß folgendes zu den mit der
Durchlaufmischvorrichtung 104 erzielten Vorteilen und zu den Gründen hierfür
zählt:
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1. Nutzung aller vorhandenen Wassermischenergie. Dies wird durch das
neuartige Wasserdosierventil 144 erzielt, das die Meßblende 146, die
Ventilplatte 148 und die Wasserspritzvorrichtung 150 enthält;
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2. Erhöhte Vollständigkeit des Durchmischungsprozesses im Mischer,
bevor die Mischung in das Gefäß 106 eintritt. Dies ergibt sich daraus,
daß alle Mischwasserenergie eingefangen wird, daß das Mischwasser den
Zementflüßpfad bedeckt, daß die umgewälzte Flüssigkeit den frisch
gemischten Zement kreuzt, daß die Umwälzgeschwindigkeit erhöht wird und
daß die Mischung auf die Diffusorvorrichtung 212 auftrifft;
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3. Verringertes Mitschleppen von Luft. Dies wird dadurch erzielt, daß
verhindert wird, daß die Mischung gerade abwärts durch den Mischer in
das Gefäß 106 gespritzt wird;
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4. Verminderte Staubbildung. Dies wird dadurch erreicht, daß die
Mischung den Umhüllungskörper 210 vorhangartig verläßt, so daß
ausgetriebene Luft und Staub den Vorhang durchdringen müssen, um nach
draußen zu gelangen, wodurch diese vor dem Entweichen benetzt werden;
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5. Keine Verwendung von Wasserumgehungsventilen nötig. Dies wird
dadurch erreicht, daß eine angemessene Wasserdurchflußmenge über das
Wasserdosierventil 144 geliefert wird;
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6. Verminderter oder verhinderter Aufbau von Zement in der
Durchlaufmischvorrichtung 104. Dies wird durch Kombinieren der
Axialkonstruktion mit hohen Umwälzmengen und hoher Energie erreicht.
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Das Gefäß 106 der bevorzugten Ausführung, in dem der Mischer 104
montiert ist, hat die in BILD 12-15 veranschaulichte Form. Diese Form weist
oben oder am Einlauf eine Querschnittsfläche auf, die größer als die
Querschnittfläche am Boden des Gefäßes 106 ist. Eine größere Fläche im oberen
Teil trägt zum Austreiben mitgeschleppter Luft bei, und eine kleinere Fläche
am Boden ermöglicht eine schnellere Reaktionszeit beim Umkehren der Schlämme
und Formen der Schlämme zu einer homogenen Mischung.
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Wie in BILD 12-15 gezeigt, wird die größere Fläche im oberen Teil des
Gefäßes 106 über eine ausreichende Höhe des Gefäßes 106 beibehalten, so daß
hier der untere Teil des Mischers 106 aufgenommen werden kann, der an zwei
Montagehalterungen 224, 226 montiert ist, wie in BILD 12 gezeigt. Über diese
Höhe weist das Gefäß 106 zwei gebogene Enden 228, 230 auf, die mit zwei
geraden Seitenteilen 232, 234 verbunden sind (BILD 13).
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Unterhalb der soeben beschriebenen konstanten Querschnittsfläche
befindet sich ein sich verjüngender Teil 236, an dessen Boden ein Auslaßventil
238 (BILD 1) angeschlossen ist. Die Auslaßleitung vom Gefäß 106 wird in BILD
12 mit einer gestrichelten Linie 240 dargestellt.
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Das Gefäß 106 kann auf verschiedene Arten verwendet werden, wie auf dem
Fachgebiet bekannt. Wie in BILD 14 und 15 veranschaulicht, besteht eine
Möglichkeit der Montage des Gefäßes auf einem unten angeordneten Schlitten
242, mit dem das Gefäß 106 auf einem (nicht gezeigten) Anhänger mit Rädern
montiert werden kann.
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Unter Bezugnahme auf BILD 12 wird die bevorzugte Ausführung des
Rührwerks 108 des Mischgefäßes 102 beschrieben. Das Rührwerk 108 ist mit einer
Montagehalterung 244 am Gefäß 106 in einer schrägen Anordnung befestigt, wie
auf den Zeichnungen gezeigt. Das bedeutet, daß Halterung 244 das Rührwerk 108
so hält, daß dessen Rotationsachse 246 weder parallel noch senkrecht zu einer
Achse 248 des Gefäßes 106 ist.
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Auf der Halterung 244 ist ein hydraulischer Antriebsmotor 250 montiert,
mit dem eine Abtriebswelle 252 über eine flexible Antriebskupplung 254
verbunden ist. An die Welle 252 ist ein Paddel 256 angeschlossen. Die Welle
252 läuft in einem gegenüber der Kupplung 254 angeordneten Lager, das über
eine Halterung 260 an der Seitenwand des sich verjüngenden Teils 236 des
Gefäßes 106 befestigt ist.
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Das Paddel 256 einer bestimmten Ausführung weist einen Durchmesser von
55,9 cm (22 Zoll) im Vergleich zum Durchmesser eines konventionelleren Paddels
von 30,5 cm (12 Zoll) auf, das bei einer oder mehreren früheren Anlagen
eingesetzt wird. Das Paddel mit dem größeren Durchmesser der vorliegenden
Erfindung ermöglicht es in Verbindung mit dem Drehmoment, das von dem Motor
250 erzeugt werden kann, daß auch Schlämmen mit höherer Viskosität mit der
vorliegenden Erfindung gerührt werden können. Das Rühren, das normalerweise
auftritt, umfaßt ein Strömungsbild innerhalb des Schlämmenkörpers 112, das mit
den Pfeilen in BILD 1 veranschaulicht ist. Dieses ergibt sich aus der Wirkung
des Paddels 256 in Verbindung mit einem Umlenkblech 262 und der ankommenden
Mischung, die vom Mischer 106 empfangen wird. Die in BILD 1 gezeigte
Zirkulation zeigt, daß die vorliegende Erfindung eine hohe Rollwirkung zur
gründlichen Durchmischung des Schlämmenkörpers 112 zu einem homogenen Gemisch
abgibt.
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Die Umwälzvorrichtung 110 des Mischapparats 102 hat eine bevorzugte
Ausführung, die in BILD 12 gezeigt ist. Hierzu gehört eine Pumpe 264, deren
Saugseite an einen Auslaß 266 des Gefäßes 106 angeschlossen ist und deren
Druckseite an ein Rohr 268 angeschlossen ist, in dem ein Dichtemesser 270
angeordnet ist. Das Rohr 268 hat einen Y-Anschluß 272, so daß zwei Leitungen
zum Anschluß an die beiden Umwälzeinlässe 206, 208 erhalten werden. Andere
Konfigurationen, wie z. B. Anordnung des Y-Anschlusses zwischen Pumpe 264 und
dem Dichtemesser 270 können verwendet werden.
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In BILD 12 ist auch eine Pumpe 274 zum Pumpen des Mischwassers durch
eine Leitung 276 in den Einlaßanschluß 126 des Einlaßverteilers 114 des
Mischers 104 gezeigt.
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Der Betrieb des gesamten Mischapparats 2 der bevorzugten Ausführung
umfaßt auch die Zirkulierung des Schlämmenkörpers 112 in der beschriebenen und
in BILD 1 veranschaulichten Weise und die Umwälzung dieses Körpers durch die
Umwälzvorrichtung 110 zum erneuten Mischen im Mischer 104, dessen
Funktionsweise bereits beschrieben wurde. Neues Mischwasser wird über Pumpe
274 und Leitung 276 zugesetzt, und neuer Zement wird durch ein (nicht
gezeigtes) Zementeinlaßventil auf einer auf dem Fachgebiet bekannten Art
zugeführt. Das Zementeinlaßventil wird mit dem oberen Ende 140 der Einlaßhülse
134 verbunden.
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In Hinblick auf die besondere Nutzbarkeit der vorliegenden Erfindung in
der Erdöl- und Ergasindustrie kann die Qualität der Zementierarbeit verbessert
werden, und es ist möglich, dickere Schlämmen mit höheren Raten mit dem
Mischgefäß 102 zu mischen. Die Verbesserung der Arbeitsqualität ergibt sich
aus einer besseren Durchmischung zur Erstellung einer homogeneren Mischung,
schnellerer Umwälzung zum schnelleren Erhalt von Proben, vermindertem
Mitschleppen von Luft für eine genauere Dichtemessung sowie reduziertem freien
Wassergehalt der gemischten Schlämme. Dieses ergibt sich wenigstens zum Teil
aus der erhöhten Mischenergie. Dickere Schlämmen können mit höheren Raten
gemischt werden, indem der anfängliche Mischer 102 mit hoher Energie verwendet
wird, die Rollwirkung in Gefäß 106 durch Verwenden des größeren und
leistungsstärkeren Rührwerks 108 erhöht wird und indem die Umwälzungsrate
durch die Umwälzvorrichtung 110 erhöht wird.
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Zu den wichtigen Unterschieden zwischen der vorliegenden Erfindung und
früheren Systemen zählen wenigstens zwei Umwälzeinlässe im Durchlaufmischer
104, die Wasserstrahlen, die im einzelnen Wasserdosierventil 144 erzeugt
werden, das Rühren mit hoher Rollwirkung, das zum Benetzen des Zements und
anschließenden Homogenisieren beiträgt.