DE2544430C2

DE2544430C2 - Vorrichtung zum selbsttätigen, künstlichen Belüften eines fließenden Gewässers

Info

Publication number: DE2544430C2
Application number: DE2544430A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. 6759 Hohenöllen Gehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-04
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1982-04-22
Also published as: DE2544430A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selbsttätigen, künstlichen Belüften eines fließenden Gewässers, bestehend aus einem in diesem parallel zur Strömungsrichtung angeordneten Venturirohr, in dessen Düscnhals ein Luftinjektor mündet.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise durch die US-PS 34 89 396 bekanntgeworden. Im Düsenhals dieser bekannten als Venturirohr ausgebildeten Vorrichtung wird durch die Wirkung der Geschwindigkeitssteigerung des durch die Vorrichtung strömenden Wassers ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß Luft ober einen in den Düsenhals mündenden Luftinjektor angesaugt und dem durch die Vorrichtung strömenden Wasser beigemischt wird.

Es ist bekannt, daß im Diffusor von Venturirohren, in dem die Geschwindigkeit des Wassers abnimmt und der statische Druck wieder ansteigt, erhebliche Energieverluste auftreten. Die mit der bekannten Vorrichtung bei freier Anströmung in einem fließenden Gewässer im Düsenhals erreichbare Druckabsenkung ist insbesondere bei mittleren und niedrigen Fließgeschwindigkeiten, d. h, bei Fließgeschwindigkeiten unter einem Meter pro Sekunde, nicht ausreichend, um eine wirksame BeIuN tung des Gewässers durchführen zu können^

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art so auszubilden, daß diese auch zum Belüften von Gewässern mit niedrigen Fließgeschwindigkeiten geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Venturirohr mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr mit größerem Querschnitt nachgeschaltet ist, in dessen Düsenhals das freie Ende des Diffusors des ersten Venturirohres hineinragt, und daß die Wandungen der Venturirohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Strömungsrichtung einen Anstellwinkel aufweist.

Die Erfindung macht Gebrauch von der bekannten

ίο Tatsache, daß Tragflügel, die gegen eine Luft- oder Wasserströmung angestellt sind, einen Auftrieb erfahren, der vor allem eine Folge der an den Tragflügeloberseiten sich bildenden Unterdrücke ist. Die an den Tragflügeloberseiten entstehenden Unterdrücke lassen sich durch eine Vergrößerung der Anstellwinkel und der Profilwölbung der Tragflügel beträchtlich erhöhen. Diese Maßnahmen dürfen jedoch nicht dazu führen, daß an den Oberseiten derart stark gewölbter und gegen die Strömung angestellter Tragflügel eine Strömungsablösung stattfindet, die den Unterdruck an den Flügeloberseiten zusammenbrechen lassen würde. In der Areodynamik wird dieses Problem dadurch gelöst, daß hinter dem ersten Tragflügel in geringem Abstand und leicht nach unten versetzt ein zweiter Tragflügel und gegebenenfalls hinter dem zweiten Tragflügel in der gleichen Weise ein dritter Tragflügel angeordnet wird und daß die Anstellwinkel der Tragflügel so gewählt werden, daß der Anstellwinkel des zweiten Tragflügels größer ist als der des ersten Tragflügels und der Anstellwinkel des dritten Tragflügels größer ist als der des zweiten Tragflügels. Tragflügelanordnungen dieser Art, die in der vorgesehenen Weise einer Luft- oder Wasserströmung ausgesetzt sind, weisen an ihren Flügeloberseiten erheblich höhere Unterdrücke und an ihren Flügelunterseiten höhere Überdrücke auf als vergleichbare Einzelflügel.

Die Erfindung sieht vor, die mit einer dartigen aus mindestens zwei Tragflügeln bestehenden Tragfiügelanordnung erzielbaren Vorteile auf eine Vorrichtung zum selbsttätigen, künstlichen Belühen von fließenden Gewässern zu übertragen, indem sie vorschreibt, daß einem Venturirohr mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr mit größerem Querschnitt nachzuschalten ist, in dessen Düsenhals das freie Ende des Diffusors des ersten Venturirohres hineinragen soll, und daß die Wandungen der Venturirohre im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels zu profilieren sind, der gegenüber der Strömungsrichtupg des Wassers einen Anstellwinkel aufv/eisen soll. Zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der bekannten Tragflügelanordnung besteht ein Zusammenhang derart, daß die Innenseiten der Vorrichtungen den Tragflügeloberseiten und die Außenseiten der Vorrichtung den Tragflügelunterseiten entsprechen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Venturirohre entstehen zwischen den Venturirohren schmale Düseneinlaufspalte, durch die energiereiche Wasserstrahlen in den Düsenhals und in den Diffusor des nachgeschalteten Venturirohres gelangen, wo sie insbesondere die Grenzschichtströmung im Diffusor aufrecht erhalterti Dadurch bleibt dieser Diffusor auch dann funktionsfähig, wenn sein Öffnungswinkel 20 Grad Und mehr beträgt.

Die Profilierung der Venturirohre richtet sich nach der den Turbulenzgrad der Strömung kennzeichnenden Reynoldschen Zahl, die sich errechnen läßt aus der ungestörten Strömungsgeschwindigkeit des Wassers

und aus der an der Außenseite zu bestimmenden Längenausdehnung der Vorrichtung.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Wasserströmung achsparallel zur Strömungsrichtung angeordnet und derart vom Wasser angeströmt, daß zuerst das Venturirohr mit dem kleineren Querschnitt und danach das nachgeschaltete, einen größeren Querschnitt aufweisende Venturirohr umströmt und durchströmt wird, dann beeinflussen die Venturirohrwandungen d't Strömung um und durch die Vorrichtung in einer Weise, daß Strömungsenergie dem außen an der Vorrichtung vorbeiströmenden Wasser entzogen und dem durch die V&rrichtung strömenden Wasser zugeführt wird. Die Strömung durch die Vorrichtung erfährt dadurch einen Energiegewinn, der die Energie-Verluste in den Diffusoren übersteigt

Besteht die Vorrichtung aus mehr als zwei Venturirohren, dann treten die aufgezeigten vorteilhaften Eigenschaften der Vorrichtung noch deutlicher in Erscheinung.

Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften gelingt es mit der erfindungsgernäßen Vorrichtung selbst dann größere Luftmengen in ein fließendes Gewässer einzutragen, wenn in diesem Gewässer Fließgeschwindigkeiten herrschen, die zum Betreiben der bekannten Vorrichtung nicht mehr ausreichend sind.

LIm das — im Längsschnitt gesehen — aus mindestens zwei Tragflügelprofilen bestehende Profil der Vorrichtung mit einer ausgeprägten Profilwöblung auszustatten, die wesentlich zu einer Steigering des im Düsenhals des ersten Venturirohres gebildeten Unterdruckes beiträgt, ist vorgesehen, daß der Anstellwinkel des Tragflügelprofils des zweiten Venturirohres größer ist als der Anstellwinkel des zweiten Venturirohres größer ist als der Anstellwinkel des Tragflügelprofils des ersten Venturirohres und daß der Öffnungswinkel des Diffusors des zweiten Venturirohres größer ist als der Öffnungswinkel des Diffusors des ersten Venturirohres.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß am Einlauf der Venturirohre Leiteinriciitungen vorgesehen sind, die dem von außen in die Vorrichtung einströmenden Wasser einen Drall um die Rohrachse geben. Der dem Wisser in der Vorrichtung aufgeprägte Drall bewirkt eine Verwirbelung des Wasser-Luftbläschen-Gemisches, das im Düsenhals des ersten Venturirohres durch den dort erfolgenden Lukeintrag erzeugt wird. Durch die Verwirbelung des Wasser-Luftbläschen-Gemisches wird der Sauerstoffübergang aus den Luftbläschen in das mit Sauerstoff anzureichernde Wasser begünstigt und gleichzeitig die Koaleszenz der Luftbläschen verhindert, die zur Bildung von großen Luftblasen führen würde, die den Vorgang des Druckrückgewinns in den Diffusoren erheblich beeinträchtigen.

Vielfach ist es notwendig, den Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung an die räumlichen Gegebenheiten des zu belüftenden Fließgewässers anzupassen. Dem wird dadurch Rechnung getragen, daß die Venturirohre einen rechteckigen oder elliptischen Querschnitt erhalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den F i g, 1 und 2 der Zeichnung dargestellt.

Die in F i g. 1 im Schnitt dargestellte Vorrichtung wird Von zwei koaxial zueinander angeordneten Venturirohren 1 und 2 gebildet, deren Querschnitte kreisförmig, rechteckig oder elliptisch sein können. Das Venturirohr 1 gliedert sich in den Düseneinlauf 5, den Düsenhals 6 und den Diffusor '/. Der Diffusor 7 besitzt den öffnungswinkel β und ragt mit seinem freien Ende in den Düsenhals des nachgeschalteien Venturirohres 2, das einen größeren Querschnitt aufweist als das Venturirohr 1. Das Venturirohr 2 bildet mit eiern Venturirohr 1 den Düseneinlauf 8, der sich zu dem schmalen Düsenspalt 9 verengt, welcher in den Düsenhals des Venturirohres 2 mündet Dieses weist den Diffusor 10 auf, der mit dem öffnungswinkel ο versehen ist Im Düsenhals 6 des Venturirohres 1 ist ein Luftinjektor 3 zentral angeordnet der mit zahlreichen, sehr kleinen Luftdüsen ausgestattet ist und über die Luftleitung 4 mit Luft aus der Atmosphäre versorgt wird. Die Wandungen der Venturirohre I₁ 2 sind in vorliegendem Beispiel nach Art eines dünnen Tragflügels profiliert Die zwischen dem vorderen und hinteren Ende an der Außenseite der Venturirohre 1, 2 verlaufenden Verbindungslinien bilden mit der Strömungsrichtung des Wassers den Anstellwinkel α bzw. γ. Die profilierten Wandungen der Venturirohre 1, 2 bilden — im Längsschnitt gesehen — eine der erfindungsgemäßen Anordnung H' - Venturirohre 1, 2 entsprechende, das Profi! der Vorrch'ung darstellende Tandem-Anordnung zweier Tragflügelprofile.

Die in F i g. 2 im Teilschnitt wiedergegebene Vorrichtung zeigt den gleichen Aufbau wie die anhand von Fig.' erklärte Vorrichtung. Sie besteht ebenfalls aus zwei koaxial zueinander angeordneten Venturirohren 11, 12. deren Wandungen nach Art eines dünnen Tragflügelprofils profiliert sind, und verfügt über einen im Düsenhals des Venturirohres 11 Tentral angeordneten Luftinjektor 13, der über die Luftleitung 14 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die Vorrichtung ist zusätzlich mit Leiteinrichtungen 15, 16 ausgerüstet, die am Einlauf der Venturirohre 11,12 angeordnet sind.

Eine Vorrichtung nach Fig. 1 ist in einem fließenden Gewässer so anzuordnen, daß die Rohrachse parallel zur Strömungsrichtung des Wassers gerichtet ist und daß zuerst das Venturirohr 1 und danach das Venturirohr 2 vom Wasser umströmt und durchströmt wird. Dann entsteht im Düsenhals 6 des Ventunrohres 1 ein vergleichsweise hoher Unterdruck, der eine Folge c'^r Geschwindigkeitssteigerung ist. die das Wasser beim Durchströmen des Düseneinlaufes 5 erfährt. Herrscht im Bereich des Düsenhalses S Unterdruck, dann saugt der Luftinjektor 3 über die Luftleitung 4 Luft an, die in Form sehr kleiner Luftbläschen in das durch die Vorrichtung strömende Wasser eingetragen wird.

Die Vorrichtung kann in Gewässern mit niedrigen Fließgeschwindigkeiten zum Lufteintrag verwendet werden. Diese vorteilhafte Eigenschaft der Vorrichtung beruht auf der Fähigkeit der profilierten Wandungen der Venturirohre 1, 2 dem außerhalb der Vorrichtung vorbeiströmenden Wasser Strömungsenergie entziehen unH diese dem durch die Vorrichtung strömenden Wasser zuführen zu können. Die Strömung durch die Vorrichtung gev.innt dadurch mehr Energie hin/u als bei der Umsetzung von Strömungsenergie in DnKkenergie in den Diffusoren 7,10 verloren geht.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Düsenhals 6 unj folglich auch der im Düsenhals 6 sich bildende Unterdruck können noch dadurch erhöht werden, daß die Vorrichtung aus mehr als zwei Venturirohren hergestellt wird. Um die Strömungsgeschwindigkeit in der Vorrichtung zu erhöhen, sind möglichst große Anstellwinkel ex., γ, und/oder eine möglichst starke Wölbuiig des Profils der Vorrichtung anzustreben. Da mit einer linearen Vergrößerung der Anstellwinkel ä, y eine ebensolche Vergrößerung der

öffnungswinkel β, δ der Diffusoren 7,10 einhergeht, ist darauf zu achten, daß in den Diffusoren 7, 10 keine Strömungsablösung eintritt. Der Diffusor 10 darf Öffnungswinkel δ größer als 20 Grad annehmen, ohne daß eine Strömungsablösung einsetzt, da energiereiche Wasserstrahlen durch den Düseneinlauf 8 und den sich anschließenden Düsenspalt 9 zuerst in den Düsenhals und dann in den Diffusor 10 des Venturirohres 2 einströmen, wo sie an den Wandungen des Diffusors 10 stabile Grenzschichtströmungen aufrecht erhalten^ Um das Profil der Vorrichtung mit der notwendigen Profilwötbuhg zu versehen, ist vorgesehen, daß der Anstellwinkel γ des Venturirohres 2 größer ist als der Anstellwinkel <x des Venturiröhres i und daß der öffnungswinkel <5 des Diffusors 10 größer ist als der Öffnungswinkel β des Diffusors 7.

Die Wandungen der Ventufirohre 1, 2 sind so gestaltet, daß sie bei Reynoldsschen Zahlen, die kleiner b'inA o-lc 1Λ5 nanh Arf Ainpc Hünnpn Τι·ΛσΠΗσρΙηΓΓ»ΠΙς iinfi bei Reynoldsschen Zahlen, die größer sind als 10⁵, nach Art eines dicken Tragflügelprofils profiliert sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung soll die über den Luftinjektor 3 in das Wasser eingetragene Luft derart mit dem Wasser vermischen, daß ein möglichst großer Teil des eingetragenen Luftsauerstoffs in dem mit Sauerstoff anzureichernden Wasser gelöst wird. Nach Fig.2 sind am Einlauf der Ventüfiföhre 11, 12 Leiteinrichtungen 15,16 vorgesehen, die dem von außen

ίο in die Vorrichtung einströmenden Wasser einen Drall um die Rohrachse geben, so daß die von dem Luftinjektor 13 in feinblasiger Form in das Wasser eingetragene Luft intensiv mit dem Wasser verwirbelt Wird, was insbesondere den Säüefslöffübergäfig aus den

Luftbläschen in das Wasser fördert. Die Verwirbelung des Wasser-Luftbläschen-Gemisches verhindert zu^; gleich die Koaleszenz der Luftbläscheri, die sich nachteilig auf die Fiinktiönsfähigkeit der Vorrichtung auswirken würde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum selbsttätigen, künstlichen Belüften eines fließenden Gewässers, bestehend aus einem in diesem parallel zur Strömungsrichtung angeordneten Venturirohr, in dessen Düsenhals ein Luftinjektor mündet, dadurch gekennzeichnet, daß diesem Venturirohr (1; 11) mindestens ein koaxial dazu angeordnetes weiteres Venturirohr (2; 12) mit größerem Querschnitt nachgeschaltet ist, in dessen Düsenhals das freie Ende des Diffusors (7) des ersten Venturirohres (1; 11) hineinragt, und daß die Wandungen der Venturirohre (I₁ 2; 11, 12) im Längsschnitt gesehen nach Art eines Tragflügels profiliert sind, der gegenüber der Strömungsrichtung einen Anstellwinkel (α, γ) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (γ) des Tragflügelprofils des zweiten Venturirohres (2; 12) größer ist als der Anstellwinkel (α) des Tragflügelprofils des ersten Venturirohres (1; 11).

J. Vorrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (δ) des Diffusors (10) des zweiten Venturirohres (2; 12) größer ist als der Öffnungswinkel {β) des Diffusors (7) des ersten Venturirohres (1; 11).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlauf der Venturirohre (11, 12) Leiteinrichtungen (15, 16) vorgesehen sind, die dem durchströmenden Wasser einen Drall um die Rohrachse geben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da° die Venturirohre (1, 2; 11, 12) einen rechteckigen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.