NO20191480A1 - Gasskontroller for gassinnblandingskontroll i vann - Google Patents

Description

Beskrivelse

Oppfinnelsens fagområde

Oppfinnelsen angår hjelpemidler for vannforbedring. Mer spesifikt angår oppfinnelsen en

gasskontroller for gassblandingskontroll av vann.

Bakgrunn

Denne oppfinnelsen er en forbedring av gjenstanden som ble patentsøkt i norsk patentsøknad 20151234 og WO2017/052380.

Dårlig vannkvalitet kan være et hinder for å opprettholde liv i vann. Økosystemer kan være avhengig av vannkilder med en viss sammensetning. Akvatiske livsformer trenger vanligvis tilstrekkelig oksygen i vannet for å leve. Såkalt "dødvann" er surt og kan ha oksygeninnhold under det som vanligvis trengs for å opprettholde liv. Forverring i vannkvaliteten kan forstyrre et økosystem, slik at visse livsformer eller arter kan opprettholdes, men ikke andre. Dette kan føre til en utbredelse av visse typer liv på bekostning av andre.

I akvakulturoppdrett er kvaliteten på vannet som fisken produseres i, generelt av stor betydning for fiskevelferd og for å produsere et godt produkt. For eksempel må oksygen være tilgjengelig i stabile og korrekte mengder over hele produksjonsområdet og under hele produksjonssyklusen for at fisk skal overleve og utvikle seg sunt i en oppdrettsprosess.

Mattilsynet beskriver i et lovverk hvordan stabile og korrekte mengder oksygen skal tilveiebringes og sjekkes. For å sikre at oppdrettsfisken har tilgang til oksygen, kan det gjøres tiltak for å sørge for tilstrekkelig oksygen: Flytte oppdrettsfisken til ferske innhegninger eller tanker, pumpe oksygenrikt vann inn i oppdrettsanlegget og tilføre trykksatt oksygen ved hjelp av boblegeneratorer. Luftingsteknikker er også kjent, hvor luft føres inn i vannet for å øke oksygennivået. Lufting i henhold til kjent teknikk inkluderer å ‘vispe’ overflaten av vannet for å røre og "presse" luft inn i vannet ved overflaten for å oppgradere kvaliteten på vannet. Eksisterende luftingsteknikker har likevel begrensninger når det gjelder effektivitet eller å sikre at godt vann er tilgjengelig i tilstrekkelig grad. Høyt nitrogeninnhold eller overmetning av nitrogen i vannet til oppdrettsanlegg kan også være et problem. Akutt overmetning av nitrogen har ved enkelte anlegg gitt stor dødelighet. Faren er størst i lukkede kar, men er også til stede i vanlige mærer.

EP 2198704 B1 beskriver en anordning for tilførsel av gass til vann i sjømerder, tanker eller dammer med en pumpe og en oppløser for å gi kontakt mellom gass og vann ved hjelp av bobler.

NO 317340 beskriver en anordning til å oksygenere vann i oppdrettsanlegg for marine organismer i sjøen samt fremgangsmåte ved bruk av anordningen. Oppfinnelsen sørger for tilveiebringelse av hovedsakelig rent oksygen som distribueres via et nærmere angitt system til vannet. Her sørger beskrevne anordninger for at det dannes oksygenmikrobobler med et oksygenpartialtrykk som er slik at oksygenet går over i vannet i oppdrettsanlegget.

Dette er forholdsvis dyre løsninger ved bruk av rent oksygen. Oppdrettsnæringen trenger en billig og robust løsning for oksygenering. Vi vil i det følgende beskrive en slik løsning som i tillegg til oksygenering også reduserer nitrogennivået slik at totalgasstrykket ikke økes.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen beskriver i ett aspekt en gasskontroller for gassinnblandingskontroll i vann omfattende et vanntilførselsrør med diameter d omfattende et forkammer med en trykkmåler, et gasstilførselsrør med diameter 1⁄4 - 1⁄2 d og en trykkmåler. Videre omfatter gasskontrolleren et blandingskammer som er en forlengelse av vanntilførselsrøret og omfatter en innløpsplate som går fra en side av røret mot midten av røret i en spiss vinkel β med vanntilførselsrørets lengdeakse slik at det dannes et undertrykk bak platen når vannet er i bevegelse. Blandingskammeret omfatter også en gassmunning bak innløpsplaten hvor gassen suges inn i vannstrømmen av det nevnte undertrykket. Gasskontrolleren omfatter også et etterkammer med en trykkmåler, festet til nedstrømsenden av blandingskammeret, et utløpsrør med diameter d som er festet til nedstrømsenden av etterkammeret, og en pumpe forbundet til oppstrømsenden av vanntilførselsrøret for å levere en regulerbar vannstrøm med riktig trykk til forkammeret. Oppfinnelsen er kjennetegnet ved at etterkammeret har et større tverrsnitt enn vanntilførselsrøret og utløpsrøret for å danne et lavere trykk, hvor etterkammeret strekker seg en distanse av størrelsesorden 1/3 d i lengderetningen. Videre reguleres vannstrømmen slik at trykkforskjellen mellom forkammeret og etterkammeret er innenfor en øvre og nedre terskelverdi, og at undertrykket ved gassmunningen er innenfor en nedre og øvre terskelverdi, slik at det oppstår en turbulent blanding av gass og vann under lavt trykk.

Oppfinnelsen beskriver i et annet aspekt en metode for anvendelse av gasskontrolleren.

Kort beskrivelse av tegningene

For å forbedre forståelsen av oppfinnelsen har vi laget figurer med eksempler på utførelsesformer. Samme referansetall refererer til samme del i forskjellige figurer.

Fig.1 viser en utførelse av gasskontrolleren med et hus

Fig.2 a-c viser en annen utførelse av blandingskammer og etterkammer i større detalj

Fig.3 viser gasskontrolleren satt inn på en hovedvannledning

Detaljert beskrivelse

I denne teksten bruker vi uttrykkene oppstrøms og nedstrøms i henhold til vanlig strømningsretning av vannet. Vi beskriver her en gasskontroller for gassinnblandingskontroll i væske. Spesielt gassene oksygen og nitrogen innblandet i vann. Lengderetningen i teksten er parallell med senteraksen av de forskjellige kamrene og utløpsrøret. Trykket måles som relativt trykk, slik at 0 Bar er vanlig lufttrykk ved havnivå.

Gasskontrolleren 10, som vises i figur 1 omfatter et vanntilførselsrør 1 med diameter d og et mindre gasstilførselsrør 3 med diameter <1>/4 d – 1⁄2 d, som begge er tilkoplet et blandingskammer 4. Foran (oppstrøms for) blandingkammeret befinner det seg et forkammer 2 som er en forlengelse av vanntilførselsrøret og hvor en trykkmåler 16 er montert. En trykkmåler 19 er også montert på gasstilførselsrøret. Blandingskammeret er også en forlengelse av vanntilførselsrøret 1 og omfatter en vakuumstruktur 5 og minst én gassmunning 6 tilkoplet gasstilførselsrøret 3. Formålet med vakuumstrukturen er å gi undertrykk og turbulens ved blanding av gass og vann og å regulere blandingsforholdet mellom gass og vann. Strømningsretningen i gasskontrolleren er angitt med de tykke horisontale pilene.

I én utførelsesform er turbulensstrukturen en innløpsplate 5 som går fra en side av røret mot midten av røret i en spiss vinkel β med vanntilførselsrørets lengdeakse slik at det dannes et undertrykk bak innløpsplaten 5 når vannet er i bevegelse. I nevnte utførelsesform er en gassmunning 6 tilkoplet gasstilførselsrøret og er plassert bak innløpsplaten, fortrinnsvis der midtlinjen av platen er festet til siden av røret. Når vannet er i bevegelse fremover vil det nevnte undertrykket suge gass inn i blandingskammeret.

I andre utførelsesformer kan turbulensstrukturen være en stumpformet og hul, konisk eller pyramideformet struktur som er festet til sidene av røret symmetrisk rundt lengdeaksen til røret, hvor flatene i turbulensstrukturen har en spiss vinkel β med vanntilførselsrørets lengdeakse. En flerhet gassmunninger er fordelt rundt turbulensstrukturen, fortrinnsvis der hvor undertrykket er størst. Videre kan turbulensstrukturen være to eller flere separate plater som stikker ut fra siden av røret i en spiss vinkel β med vanntilførselsrørets lengdeakse. Hver plate har en gassmunning plassert på liknende måte som gassmunningen 6 bak den nevnte innløpsplaten 5. Vinkelen β er mellom 25 og 45 grader, mer foretrukket mellom 30 og 40 grader.

Videre omfatter gasskontrolleren et etterkammer 7 med et større tverrsnitt enn vanntilførselsrøret 1. Etterkammeret 7 er festet til nedstrømsenden av blandingskammeret 4 omtrent der innløpsplaten 5 slutter og har en lengde av samme størrelsesorden som en tredjedel av diameteren til vanntilførselsrøret. Det økte tverrsnittet i etterkammeret forårsaker et trykkfall. Luften og vannet gjennomgår en turbulent blanding under lavt trykk i etterkammeret. I etterkammeret er det montert en trykkmåler 17, fortrinnsvis nær utløpsrøret. Fortrinnsvis er tverrsnittet i etterkammeret 5-50 % større, mer foretrukket 15-25 % større.

Gasskontrolleren omfatter også et utløpsrør med en diameter på størrelse med vanntilførselsrøret som er festet til nedstrømsenden av etterkammeret. Etter blandingsprosessen i blandingskammeret og etterkammeret fortsetter vannet gjennom utløpsrøret for å slippes ut i vannmassene som skal forbedres. Fortrinnsvis har vanntilførselsrøret, blandingskammeret, etterkammeret og utløpsrøret felles lengdeakse.

For at gasskontrolleren skal fungere må det tilveiebringes et regulerbart vanntrykk på vanntilførselsrøret. I en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en in-line væskefylt pumpe 9 i et hus 15 som er festet i oppstrømsenden av vanntilførselsrøret.

Dette oppsettet gir en del overraskende effekter som vi tror har sammenheng med turbulent blanding av gass og vann under lavt trykk. Vi kan måle en vesentlig reduksjon i metningsnivået til nitrogen, og et metningsnivå for oksygen opp til 165 % ved bruk av luft. Det vil si at det totale gasstrykket i vannet ikke øker vesentlig.

For å forstå oppfinnelsen kan det være nyttig å vite hvordan den oppsto. I en tidligere variant av oppfinnelsen var ikke etterkammeret til stede, men ellers var oppsettet likt.

Vanntilførselsrør og lufttilførselsrør var koplet sammen med et T-formet rør. Under tester kunne oppfinner konstatere vanlige verdier for oksygen og nitrogen, men plutselig hadde oppfinner vesentlig bedre målinger med opptil 165 % oksygenmetning og opp til halvering av nitrogenmetningen. Oppsettet ble sjekket og det viste seg at vanntilførselsrøret og utløpsrøret ikke var stappet ordentlig inn i T-røret. Siden de to rørene har en vesentlig tykkelse hadde det da oppstått et ‘etterkammer’ som forårsaket et trykkfall. Når de to rørene ble dyttet ordentlig på plass var den gunstige effekten borte.

Vi kan ikke forklare effekten i detalj eller påberope oss forståelse av observasjonene, men ved sterk turbulens oppstår store gradienter i temperatur og trykk på mikronivå og dette er parametre som påvirker gassenes oppløsningsevne i vann i stor grad. For oksygen og nitrogen gjelder det at oppløsningsevnen øker med synkende temperatur og øker med trykket. For oksygen er temperaturen viktigst og for nitrogen er trykket viktigst ved de aktuelle verdiene. Videre er det klart at en bobles størrelse er avhengig av overflatespenningen og gasstrykket i boblen. Hvis boblen dannes under lavere trykk enn det som forefinnes i omgivelsene vil boblen bli mindre når den slippes ut av gasskontrolleren og utsettes for vann under høyere trykk. Mindre bobler gir en større reaktiv overflate hvor gass kan innblandes i væske og omvendt. Mindre bobler bruker også lengre tid til overflaten. Derfor er det mulig å argumentere for at effekten oppstår på grunn av turbulent blanding under lavt trykk. Ytterligere undersøkelser av dette pågår.

Med oppsettet som beskrevet og hvor diameteren til lufttilførselsrøret er 75 mm og vanntilførselsrøret er 150 mm og innløpsplaten er en flat plate som går til midten av røret og har en rettlinjet endeflate og hvor vinkelen β er 35 grader, oppnår vi den ønskede effekt når pumpen kjøres slik at det kan måles et undertrykk ved gassmunningen på 0,3-0,5 Bar og en trykkforskjell mellom etterkammeret og forkammeret på 0,6 – 0,8 Bar. For at en slik justering av parameterne skal kunne gjøres på en enkel måte er det en fordel hvis pumpen er regulerbar, gasstilførselen har en diameter på 1⁄2 d som kan strupes og at innløpsplaten kan justeres ut og inn.

I det følgende vil vi beskrive en fremgangsmåte for å drifte gasskontrolleren i et vannlegeme. Fremgangsmåten omfatter følgende trinn:

a) sette innløpsplaten i antatt optimal posisjon og full åpning på gasstilførsel,

b) sette gasskontrolleren i ønsket dybde,

c) starte pumpen og øke effekten inntil trykkforskjellen mellom måleren 16 i forkammeret og måleren 17 i etterkammeret er innenfor en øvre og nedre terskelverdi,

d) hvis vakuumet som avleses på måleren 19 ved gasstilførselsrøret er innenfor en øvre og nedre teskelverdi, strupe gasstilførsel og/eller justere vanninnløpsplaten utover eller innover inntil ønsket vakuum oppstår, og

e) eventuelt justere pumpeeffekten hvis strupingen eller justeringen av vanninnløpsplaten har hatt innvirkning på trykkforskjellen mellom forkammer og etterkammer.

I en foretrukket utførelse er innløpsplaten regulerbar slik at den kan skyves ut og inn for dermed å justere blandingsforholdet mellom gass og vann og undertrykket bak vakuumstrukturen 5 eller innløpsplaten 5. Videre kan de to sidene og endekanten av innløpsplaten være utformet på forskjellige måter. Antakelig finnes det en optimal utforming. Videre kan gassmunningen være utformet på forskjellige måter. I en foretrukket utførelse er munningen bredere i en retning vinkelrett på røret slik at luften fordeles bedre langs bredden av innløpsplaten. For eksempel kan munningen være rektangulær slik som vist i figur 2b.

Pumpen i fig.1 er anbrakt i et sylindrisk pumpehus og det er et ringrom mellom pumpehuset og pumpen som er fylt med vann. Vannet kommer inn i ringrommet gjennom et gitter eller filter som holder uønskede objekter borte fra pumpen. Pumpen har en motor koplet til én eller flere rotasjonsenheter via en aksel (ikke vist). Rotasjonsenhetene drar vannet gjennom gitteret og inn i inntaket og presser vannet inn i vanninnløpsrøret. Pumpen er sentrert i pumpehuset ved hjelp av sentreringsfester 13. I en fordelaktig utførelse omslutter huset også utløpsrøret som et beskyttende skall. Ringrommet mellom utløpsrøret og huset må være tett. Da vil ringrommet mellom pumpen og pumpehuset fungere som et reservoir av renset vann som går inn i pumpen.

Med fordel kan en spreder 18 settes i munningen av utløpsrøret ved bruk i åpne merder eller åpent vann. Vannet som kommer ut av utløpsrøret er i mange tilfeller overmettet av oksygen og det er en fordel å spre vannet slik at overmetningen tynnes ut og fordeles i vannmassene. Hvis gasskontrolleren settes på et rør så er dette selvfølgelig ikke aktuelt.

I en fordelaktig utførelse er pumpemotoren en motor som er fylt med f.eks. en 50/50 glyserin og vann som er godkjent av mattilsynet for bruk i merder. Dette gir en optimal beskyttelse mot trykkforskjellene som kan oppstå ved nedsenkning samtidig som faren for forgiftninger ved lekkasjer er borte.

Når gasskontrolleren plasseres i et vannlegeme, f.eks. en mære, kan det være fordelaktig å ha den på forskjellige dyp. Med gasskontrolleren anbrakt dypere enn lagom 15 meter blir trykket for høyt og reduksjon av nitrogen finner ikke sted ved bruk av luft. Tester har vist at fra 2 til 10 meters dybde oppstår alle de positive effekter hvis innstillingene er optimale. For større dybder over 15 meter kan samme effekt oppnås ved å benytte innblanding av ren oksygen i luften eller ren oksygen.

Gasskontrolleren kan anvendes til en vannforsyning til oppdrettskar for eksempel et smoltanlegg, hvor vannet tilføres gjennom rør. I denne anvendelsen tas fortrinnsvis en delstrøm fra en hovedvannledning 20 ut til et siderør 21, som vist i figur 3, hvor en gasskontroller ifølge oppfinnelsen behandler vannet i siderøret og slipper det ut i hovedvannledningen igjen. Andelen som behandles er fortrinnsvis 2-10 % av vannet. På den måten blandes vannet med høyt oksygenerings-nivå med det ubehandlede vannet mens det enda er en stund til vannet når fram til oppdrettsfisken.

Deleliste

1 Vanntilførselsrør

2 Forkammer

3 Gasstilførselsrør

4 Blandingskammer

5 Vakuumstruktur/Innløpsplate

6 Gassmunning

7 Etterkammer

8 Utløpsrør

9 Pumpe

10 Gasskontroller

11 Tetning

12 Filter

13 feste og sentrerings-enheter

14 Elektrisk kabel

15 Hus

16 Trykkmåler forkammer

17 Trykkmåler etterkammer

18 Spreder

19 Trykkmåler gasstilførsel

20. Hovedvannledning

21. Siderør

Claims (14)

Patentkrav

1. Gasskontroller (10) for gassinnblandingskontroll i vann omfattende:

et vanntilførselsrør (1) med diameter d omfattende et forkammer (2 ) med en trykkmåler (16),

et gasstilførselsrør (3) med diameter 1⁄4 - 1⁄2 d og en trykkmåler (19),

et blandingskammer (4), med diameter d, som er en forlengelse av vanntilførselsrøret og omfatter:

en vakuumstruktur (5) som danner et undertrykk bak vakuumstrukturen når vannet er i bevegelse,

en gassmunning (6) bak vakumstrukturen hvor gassen suges inn i vannstrømmen av det nevnte undertrykket,

et etterkammer (7) med en trykkmåler (17), festet til nedstrømsenden av blandingskammeret (4),

et utløpsrør (8) med diameter d som er festet til nedstrømsenden av etterkammeret,

en pumpe (9) forbundet til oppstrømsenden av vanntilførselsrøret for å levere en regulerbar vannstrøm med riktig trykk til forkammeret (2),

karakterisert ved at etterkammeret har et større tverrsnitt/diameter enn vanntilførselsrøret (1) og utløpsrøret (8) for å danne et lavere trykk, hvor etterkammeret strekker seg en distanse av størrelsesorden 1/3 d i lengderetningen og hvor vannstrømmen reguleres slik at trykkforskjellen mellom forkammeret og etterkammeret er innenfor en øvre og nedre terskelverdi, og at undertrykket ved gassmunningen (6) er innenfor en øvre og nedre terskelverdi, slik at det oppstår en turbulent blanding av gass og vann under lavt trykk.

2. Gasskontroller ifølge krav 1 hvor vakuumstrukturen (5) er en innløpsplate (5) som går fra en side av røret mot midten av røret i en spiss vinkel β med vanntilførselsrørets lengdeakse slik at det dannes et undertrykk bak platen når vannet er i bevegelse.

3. Gasskontroller ifølge krav 2 karakterisert ved at innløpsplatens (5) vinkel β med vanntilførselsrørets lengdeakse er mellom 25 og 45 grader, mer foretrukket mellom 30 og 40 grader.

4. Gasskontroller ifølge krav 2 karakterisert ved at innløpsplaten (5) er regulerbar i lengderetningen slik at den kan skyves ut og inn.

5. Gasskontroller ifølge krav 2 karakterisert ved at gassmunningen (6) er bredere i retning vinkelrett på røret slik at luften fordeles bedre langs bredden av innløpsplaten.

6. Gasskontroller ifølge krav 1 hvor tverrsnittet i etterkammeret (7) er 5-50 % større, mer foretrukket 15-25 % større.

7. Gasskontroller ifølge krav 1 karakterisert ved at et sylindrisk vanntett hus (15) omhyller gasskontrolleren (10), hvor en tetning (11) er tilveiebrakt mellom utløpsrøret og huset, og et innløp med et filter (12) er tilveiebrakt oppstrøms for pumpen.

8. Gasskontroller ifølge krav 1 karakterisert ved at pumpen er en væskefylt nedsenkbar pumpe.

9. Gasskontroller ifølge krav 8 karakterisert ved at væsken i pumpen er en 50 / 50 % blanding av glyserin og vann.

10. Gasskontroller ifølge krav 1 karakterisert ved at en spreder (18) er montert i enden av utløpsrøret for anvendelse av gasskontrolleren i åpent vann.

11. Gasskontroller ifølge krav 1 karakterisert ved at gasskontrolleren tilkoples et siderør (21) av en hovedvannledning (20) for behandling av vannet i siderøret før det tilbakeføres til hovedvannledningen.

12. Fremgangsmåte for å drifte gasskontrolleren ifølge krav 1 og 2 omfattende følgende trinn:

a) å sette innløpsplaten i antatt optimal posisjon og full åpning på gasstilførsel,

b) å sette gasskontrolleren i ønsket dybde,

c) å starte pumpen og øke effekten inntil trykkforskjellen mellom måleren 16 i forkammeret og måleren 17 etterkammeret er innenfor en øvre og nedre terskelverdi,

d) hvis vakuumet som avleses på måleren19 ved gasstilførselsrøret er innenfor en øvre og nedre terskelverdi, å strupe gasstilførsel og/eller justere vanninnløpsplaten utover eller innover inntil ønsket vakuum oppstår, og

e) eventuelt å justere pumpeeffekten hvis strupingen eller justeringen av vanninnløpsplaten har hatt innvirkning på trykkforskjellen mellom forkammer og etterkammer.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12 hvor nedre og øvre terskelverdi for trykkforskjellen mellom forkammeret og etterkammeret er henholdsvis 0,6 og 0,8 Bar.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12 hvor nedre og øvre terskelverdi for vakuumet ved gasstilførselsrøret er henholdsvis 0,3 Bar og 0,5 Bar.