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Belüftungsvorrichtung für in Oberflächenwässer zurückzu-
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leitende Abwässer, insbesondere für die Anreicherung von Gebrauchswässern
mit Sauerstoff Die Erfindung bezieht sich auf eine Belüftungsvorrichtung für in
Oberflächenwässer zurückzuleitende Abwässer, insbesondere für die Anreicherung von
Gebrauchswässern mit Sauerstoff, die z.B. zur Kühlung von Kraftwerksturbinen genutzt
worden sind, welche einen in eine Abflußleitung einführbaren Zylinderschütz aufweist,
der in einem Kraftschlußbecken für das vom Kondensator der Turbine
abfließende
Gebrauchswasser angeordnet ist, wobei der Zylinderschütz eine durch BelUftungskörper
gebildete Verengung mit an der engsten Stelle angeordneten Bohrungen aufweist, so
daß aus mit den Belüftungskörpern verbundenen Luftzuführungsleitungen infolge des
an der Verengung im Zylinderschütz auftretenden Unterdrucks Luft angesaugt und in
den Abwasserstrom hineingezogen wird.
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Derartige Vorrichtungen dienen allgemein zur Regenerierung von Gebrauchswässern,
denen zuvor der Sauerstoff im wesentlichen entzogen worden ist, beispielsweise bei
zur Kühlung von Kraftwerksturbinen genutzten Gebrauchswässern. Die unmittelbare
Rückführung von sauerstoffarmen Abwässern führt jedoch zu erheblichen Beeinträchtigungen
des Haushalts der Flöze, in die diese Abwässer eingeleitet werden. Aus Gründen des
Umweltschutzes ist es somit erforderlich, die Abwässer künstlich zu belüften.
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Zur Erhöhung des Sauerstoffgehaltes von in Oberflächengewässer zurückgeleiteten,
zur Kühlung benutzten Gebrauchswässern werden verschiedene Verfahren zur künstlichen
Belüftung angewandt. So wird z.B. Preßluft in das abfließende Wasser gedrückt oder
durch Belüftungskreisel oder Belüftungswalzen Luft in das Wasser hineingezogen.
Außerdem versucht man, die bestehenden Probleme durch Versprühen des Gebrauchswassers
vor Einleitung in die Oberflächengewässer, durch Uberfallwehre oder durch eine Turbinenbelüftung
zu beseitigen und die Wässer ausreichend mit Sauerstoff anzureichern. Diese Verfahren
sind jedoch im wesentlichen nur für geringe Wassermengen anwendbar oder aber wie
die Uberfallwehre und die Turbi-
nenbelüftung mit derart großen
Investitionskosten belastet, daß sie zu unwirtschaftlich sind.
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Eine bekannte Belüftungsvorrichtung (DE-PS 28 32 274), welche die
Nachteile der vorstehend genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen vermeidet, umfaßt
einen in einem Kraftflußbecken angeordneten Zylinderschütz, welcher in eine Abflußleitung
einführbar ist. Im Zylinderschütz ist durch mit dem Zylinderschütz verbundene Belüftungskörper
eine Verengung gebildet. An der engsten Stelle des Zylinderschützes sind in den
Belüftungskörpern Öffnungen vorgesehen, so daß aufgrund des sich bei der Strömung
bildenden Unterdrucks im Bereich der verengten Stelle Luft aus den Belüftungskörpern
angesaugt und dem abgeführten Wasser zugesetzt wird. Dieser Aufbau bringt es mit
sich, daß über die Belüftungskörper Sauerstoff auch in das Innerste des Wasserstromes
hineingeleitet wird, so daß das Gebrauchswasser über den gesamten Strömungsquerschnitt
belüftet wird. Diese Belüftungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 ist jedoch insofern verbesserungsfähig, als eine kontrollierte Belüftung auch
unter starken Strömungsbedingungen, bei welchen Luft in großen Luftblasen angesaugt
werden kann, gewährleistet sein soll.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine kontrollierte
Belüftung von Abwässern zu ermöglichen, die das Ansaugen großer Luftblasen vermeidet
und die Aufnahme von ausreichend Sauerstoff in Wasser ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale, wobei zweckmäßige Aus-
gestaltungen in den
Unteransprüchen enthalten sind.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der Anströmung
des im Kraftschlußbecken angeordneten Zylinderschützes die Gefahr einer Wirbelbildung
besteht und zwar insbesondere im Bereich der Umkehrung der Strömung von der aufwärts
gerichteten Bewegung des Wassers im Kraftschlußbecken in die abwärts gerichtete
Strömungsbewegung im Zylinderschütz, wodurch ein derart starker Unterdruck erzeugt
werden kann, daß unkontrolliert Luft in großen Luftblasen angesaugt wird. Die Bildung
derart großer Luftblasen behindert jedoch den kontinuierlichen Ablauf des Wassers
und beinhaltet auch eine schlechte Anreicherung mit Sauerstoff. Insbesondere wird
aber hierdurch die Funktion der feinen Luftöffnungen im Bereich der Verengung gestört,
so daß unter bestimmten Strömungsbedingungen eine kontrollierte Belüftung nur sehr
schwer erzielbar ist. Durch die radial gerichteten Leitbleche im Kraftschlußbecken
und zwar insbesondere durch die Verwendung von vier oder mehr derartiger Leitbleche
wird hingegen eine gleichmäßige und drallfreie Zuströmung zum Zylinderschütz gewährleistet,
so daß eine unkontrollierte Luftansaugung, insbesondere in großen Luftblasen, ausgeschlossen
ist. Von Vorteil ist, daß dies mit baulich außerordentlich einfachen Maßnahmen gewährleistet
wird, die auch eine Umrüstung bereits bestehender konventioneller Anlagen ohne weiteres
ermöglichen.
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Zweckmäßigerweise sind diese Leitbleche mit dem Kraftschlußbecken
verbunden und begrenzen miteinander eine Innenöffnung, in welcher der Zylinderschütz
geführt
ist. Diese Leitbleche können dabei die Führung auch im
herausgezogenen Zustand des Zylinderschützes übernehmen. Diese Führung ist deswegen
zweckmäßig, weil über die Höheneinstellung des Zylinderschützes die notwendige Pumparbeit
für das Kühlwasser geregelt werden kann. Je größer nämlich der Kraftschluß bei Kraftwerken
ist, desto kleiner ist die Pumparbeit, so daß die Kraftschlußhöhe, also die Differenz
des Wasserspiegels im Kraftschlußbecken und des höchsten Punkts des Kühlwassersystems
am Turbinenkondensator zweckmäßigerweise den jeweiligen Wasser- und Luftzuständen
anzupassen ist. Gewünscht ist also eine niedrige Einstellung des Wasserstands im
Kraftschlußbecken, so daß der Zylinderschütz entsprechend geführt werden muß. Eine
einfache Führung dieses Zylinderschützes wird im Sinne der vorstehend genannten
Maßnahmen gewährleistet.
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Die Strömung im Zylinderschütz, in welchem die Belüftungskörper angeordnet
sind, wird dadurch noch verbessert, daß vorzugsweise vier oder mehr gleichfalls
radial angeordnete Leitbleche vorgesehen sind, die zweckmässigerweise mit dem Zylinderschütz
verbunden sind und mit diesem je nach erforderlichem Wasserstand auf- und abbewegbar
sind. Diese Auf- und Abbewegung des Zylinderschützes kann dadurch erreicht werden,
daß ein Seilzug im Bereich der inneren Leitbleche oder am Zylinderschütz angreift.
Als Seilzug eignet sich insbesondere die Verwendung eines oder mehrerer Seile, die
über entsprechende Seilrollen geführt sind.
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Die Anordnung von Leitblechen innerhalb des Zylinder-
schützes
ermöglicht auch die gleichzeitige Befestigung der Luftzuführungsleitungen an diesen
Leitblechen, wodurch eine gute Halterung dieser Leitungen erzielt ist, die hierdurch
gegen Schwingungen geschützt sind.
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Andererseits erlaubt es diese Anordnung, daß die Luftzuführungsleitungen
nicht mehr außen am Zylinderschütz angebracht werden müssen, sondern innerhalb der
Radialabmessungen des Zylinderschützes aufgenommen werden können, so daß diese Luftzuführungsleitungen
nicht mehr über den Mantelumfang des Zylinderschützes nach außen hin vorstehen.
Dies erlaubt die Absenkung des Zylinderschützes mindestens bis zur Oberkante der
Ablaufleitung, so daß der Bewegungsbereich des Zylinderschützes und damit die Anpassung
an günstige Kraftschlußhöhen möglich ist. Zweckmäßig ist es im Zusammenhang mit
diesen Luftzuführleitungen, daß Drosselventile angeordnet sind, die einstellbar
sind, daß die gerade benötigte Sauerstoffanreicherung erzielt wird. Damit wird verhindert,
daß zu viel Luft angesaugt wird.
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Dem wegen der Verringerung der zur Uberwindung der geodätischen Höhendifferenz
bei der Förderung des Kühlwassers durch Rohrleitungen und Turbinenkondensator erforderlichen
Pumparbeit erwünscht niedrigen Wasserstand im Kraftschlußbecken sind durch den Verdampfungsdruck
des Wassers Grenzen gesetzt. Dieser Verdampfungsdruck, der von der Wassertemperatur
abhängig ist, darf nicht unterschritten werden, da sonst im Kühlwassersystem Dampfblasen
erzeugt werden. Dabei gilt, daß der tatsächliche absolute Mindestdruck am höchsten
Punkt des Kühlwassersystems in allen Betriebszuständen aus Sicherheitsgründen etwa
0,1 bar über dem jeweiligen Verdampfungsdruck
liegen soll. Um diesen
tatsächlichen absoluten Druck exakt bestimmen zu können, wird mittels einer Meß-und
Regeleinrichtung nicht er der Außenluftdruck und die Kühlwassertemperatur gemessen,
sondern auch der tatsächliche absolute Mindestdruck des Kühlwassers im geodätisch
höchsten Punkt des Kühlwassersystems. Die Meß- und Regeleinrichtung vergleicht diesen
absoluten Kühlwassermindestdruck mit dem jeweiligen temperaturabhängigen Verdampfungsdruck
und führt den Zylinder-, schütz in eine Stellung, so daß am höchsten Punkt des Kühlwassersystems
ein tatsächlicher Druck eingestellt wird, der jeweils 0,1 bar über dem jeweiligen
Verdampfungsdruck liegt.
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Die Aufnahme von Sauerstoff in Wasser ist auch von der Größe des absoluten
Druckes abhängig, wobei die Sauerstoffaufnahme mit Erhöhung des absoluten Druckes
zunimmt. Um eine hohe Sauerstoffkonzentration, also gute Belüftung der Abwässer
zu erreichen, ist es #eckmäßig, das Kühlwasser im Bereich hinter der Belüftungsvorrichtung
auf Uberdruck zu bringen. Dies ist möglich, indem man die Ablaufleitung so tief
als möglich unter den Wasserspiegel des Ablaufgewässers im Auslauf führt, also etwa
den Auslauf im Bereich des Bodens des Ablaufgewässers einmünden läßt. Für den Fall,
daß das Ablaufgewässer, also der Fluß, zu flache ist, ist es zweckmäßig, die Ablaufleitung
sehr tief herunterzuführen, indem man die Ablaufleitung U-förmig durch den Untergrund
führt, und somit durch die Wirkung der geodätischen Höhenüberdeckung eine vorübergehende
Druckerhöhung und damit eine Zunahme der Sauerstoffflüssigkeit zu bewirken.
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Diese Sauerstofferhöhung ist insbesondere im Zusammen-
hang
mit der durch die Leitbleche erzielten kontrollierten Belüftung vorteilhaft, da
hierdurch eine ausserordentlich gute Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff erzielt
wird. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, die Ablaufleitung hinter der Belüftungsvorrichtung
zunächst senkrecht, also auf dem kürzesten Wege nach unten zu führen, bis der die
Sauerstofflöslichkeit fördernde Uberdruck erzielt ist, und die Abwässer von dieser
tiefsten Stelle an mit stetiger Steigerung dem Ablaufgewässer zuzuführen. Durch
die letzter Maßnahme wird zugleich gewährleistet, daß gegebenenfalls sich ausbildende
großvolumige Luftblasen aufgrund ihres eigenen natürlichen Auftriebes stetig abgeführt
werden, ohne daß Luft in Luftsäcken bei ungünstig verlegten Leitungen hängen bleibt
und den Ablauf behindert. In gleicher Weise wie die Anordnung der Leitbleche führt
diese Maßnahme dazu, daß stoßweise Strömungen ausgeschlossen sind.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt
durch ein Kraftschlußbecken mit darin angeordneter erfindungsgemäßer Belüftungsvorrichtung,
Fig. 2 eine Draufsicht von Fig. 1, Fig. 3 die erfindungsgemäße Belüftungsvorrichtung
mit nachgeschalteter Abflußleitung, sowie
Fig. 4 eine weitere Ansicht
der erfindungsgemäßen Belüftungsvorrichtung mit nachgeschalteter Abflußleitung.
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Aus Fig. 1 ist das als offener Zulauf ausgebildete Kraftschlußbecken
1 ersichtlich, dem über die Zuleitung 2 Abwasser zugeführt wird, welches als Kühlwasser
für einen Kondensator in einem Kraftwerk, insbesondere Steinkohlenkraftwerk, eingesetzt
worden ist. Das in das Kraftschlußbecken 1 eingeführte Abwasser strömt nach Durchlauf
durch den nachfolgend noch näher beschriebenen Zylinderschütz 3 durch die Abflußleitung
4 in ein Ablaufgewässer, nämlich einen Fluß oder See, wie aus den Fig. 3 und 4 näher
ersichtlich. Die Abflußleitung 4 ragt zu einem Teil in das Kraftschlußbecken 1 hinein.
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Auf der Abflußleitung 4 sitzt der Zylinderschütz 3, welcher gemäß
Fig. 1 teilweise in die Abflußleitung 4 eingeführt ist. Dieser Zylinderschütz 3
ist durch eine nicht näher dargestellte Einrichtung in der Höhe verstellbar, wobei
diese Einrichtung Seile umfassen kann, die über entsprechende Rollen geführt sind.
Durch die Auf- und Abbewegung des Zylinderschützes 3 kann dieser entsprechend an
den Wasserstand im Kraftschlußbecken angepaßt werden, der zur Reduzierung der Pumparbeit
für das Kühlwasser so niedrig als möglich eingestellt wird.
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Innerhalb des Zylinderschützes 3 sind Belüftungskörper 5 angeordnet,
welche mit der Innenwand des Zylinderschützes 3 verbunden sind. Diese zweckmäßigerweise
aus Blechplat-
ten hergestellten Belüftungskörper, welche in Abständen
über dem Innenumfang des Zylinderschützes angeordnet sein können, bilden eine Verengung
für die Strömung des Abwassers innerhalb des Zylinderschützes 3. Im Bereich der
engsten Stelle weisen diese Belüftungskörper 5 feine Bohrungen oder Öffnungen auf.
Diese Anordnung und Ausbildung bedingt, daß der sich bei der Strömung des Abwassers
einstellende Unterdruck im Bereich der Verengung im Zylinderschütz 3 eine Luftansaugung
über die Bohrungen oder Öffnungen 6 der Belüftungskörper 5 bewirken, wodurch das
durchströmende Wasser mit Luft angereichert wird.
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Außerhalb des Zylinderschützes 3 sind vorzugsweise vier oder mehrere
Luftleitbleche 7 in einem Abstand zueinander angeordnet. Dabei sind die Luftleitbleche
radial zum Zylinderschütz 3 ausgerichtet und mit dem KraftschluB-becken verbunden.
Diese Leitbleche schließen die Gefahr einer Wirbelbildung insbesondere im Bereich
der Umkehrung der mit S1 bezeichneten Strömung von der aufwärts gerichteten Bewegung
des Wassers im Kraftschlußbecken in die abwärts gerichtete Bewegung im Zylinderschütz
3 aus, die ansonsten einen starken Unterdruck erzeugen wurde, wodurch unkontrolliert
Luft in großen Luftblasen angesaugt und die Funktion der feinen Luftdüsen der Belüftungsvorrichtung
behindert wird. Die Leitbleche bewirken eine Vergleichmäßigung der Strömung und
gewährleisten eine drallfreie Zuströmung zum Zylinderschütz 3, so daß die Funktion
der Öffnungen 6 im Bereich der Verengung des Zylinderschützes 3 nicht beeinträchtigt
wird.
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Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind weitere radial
angeordnete Leitbleche 8 vorgesehen, die jedoch mit dem Zylinderschütz 3 verbunden
sind.
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Diese Leitbleche 8, die auch aus Fig. 2 ersichtlich sind, begünstigen
ebenfalls eine drallfreie Zuströmung zum Zylinderschütz 3. Bevorzugt ist wiederum
der Einsatz von vier oder mehr radial angeordneten Leitblechen 8. Da die Leitbleche
8 am Zylinderschütz 3 befestigt sind, können sie mit diesem je nach erforderlichem
Wasserstand auf- und abbewegt werden. Die zu den Belüftungskörpern 5 führenden Luftzuführungsleitungen
9 sind zweckmäßigerweise an den Leitblechen 8 befestigt. Um ein übermäßiges Ansaugen
von Luft zu verhindern, sind an den Luftansaugleitungen 9 Drosselventile 10 angebracht,
welche derart einstellbar sind, daß die gerade benötigte Sauerstoffanreicherung
erzielt wird. Durch die Befestigung der Luftzuführungsleitungen 9 an den Leitblechen
8 wird es weiter ermöglicht, daß diese Luftzuführungsleitungen nicht über die Radialabmessungen
des Zylinderschützes 3 vorstehen, so daß der zweckmäßigerweise durch die Leitbleche
7 geführte Zylinderschütz 3 mindestens bis zur Oberkante des Ablaufrohres 4 abgesenkt
werden kann. Hierdurch läßt sich der Bewegungsbereich des Zylinderschützes 3 wesentlich
vergrößern.
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Schließlich ist der Zylinderschütz 3 bzw. die nicht näher dargestellte
Hub- und Verstelleinrichtung des Zylinderschützes 3 mit einer nur schematisch dargestellten
Meß- und Regeleinrichtung 11 verbunden, die aus den nachstehenden Gründen vorgesehen
ist. Der Zylinderschütz 3 ist in seiner Höhe verstellbar, um
beispielsweise
bei Kraftwerken die optimale Höhe des sogenannten Kraftschlusses, also die Differenz
des Wasserspietels im Kraftschlußbecken und des höchsten Punkts des Kühlwassersystems
am Turbinenkondensator einzustellen. Die zur Uberwindung der geodätischen Höhendifferenz
bei der Förderung des Kühlwassers durch Rohrleitungen und Turbinenkondensator aufzubringende
Pumparbeit kann umso geringer gehalten werden, je niedriger der Wasserstand im Kraftschlußbecken
eingestellt wird. Der Kraftschlußhöhe sind jedoch durch den Verdampfungsdruck des
Wassers Grenzen gesetzt. Dieser Verdampfungsdruck, der von der Wassertemperatur
abhängig ist, darf deswegen nicht unterschritten werden, da sonst Dampfblasen im
Kühlwassersystem erzeugt werden.
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Die Temperaturabhängigkeit des Verdampfungsdruckes geht aus der nachstehenden
Tabelle hervor.
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Tabelle Wassertemperatur Verdampfungsdruck (in °C) (bar) 10 0,0123
15 0,017 20 0,0234 25 0,0317 Der vom Außenluftdruck und dem Kühlwassermassendurchsatz
abhängigen Widerständen in den Rohrleitungen abhängige absolute tatsächliche Mindestdruck
am höchsten.
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Das Kühlwassersystem sollte in allen Betriebszuständen aus Gründen
der Sicherheit etwa 0,1 bar über dem jeweiligen
Verdampfungsdruck
liegen. Zur exakten Bestimmung dieses tatsächlichen absoluten Drucks werden vorliegend
neben dem Außen luftdruck und der Kühlwassertemperatur auch der tatsächliche absolute
Mindestdruck des Kühlwassers im geodätisch höchsten Punkt des Kühlwassersystems
gemessen. Die Meß- und Regeleinrichtung 11 vergleicht dann diesen absoluten Kühlwassermindestdruck
mit dem jeweiligen temperaturabhängigen Verdampfungsdruck und bewirkt dann eine
höhenmäßige Verstellung des Zylinderschützes#3, so daß am höchsten Punkt des Kühlwassersystems
ein tatsächlicher Druck eingestellt wird, der jeweils 0,1 bar über dem jeweiligen
Verdampfungsdruck liegt. Dies gewährleistet, daß eine geringstmögliche Pumparbeit
für das Kühlwasser erforderlich ist.
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Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, wird die Abf lußleitung 4 hinter
dem Zylinderschütz 3 und hinter dem Kraftschlußbecken 1 so tief als möglich dem
Ablaufgewässer 12 zugeführt, d.h. möglichst weit unterhalb des Wasserspiegels und
nahe am Boden des Ablaufgewässers 12. Hierdurch wird das Abwasser hinter der Belüftungsvorrichtung
auf einen Uberdruck gebracht, der eine hohe Sauerstoffkonzentration ermöglicht.
Dabei ist von der Uberlegung ausgegangen, daß die Aufnahme von Sauerstoff im Wasser
mit der Höhe des absoluten Druckes zunimmt.
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Bei einer Wassertemperatur von 20 ° C beträgt die Löslichkeit von
Sauerstoff bei 1 bar rund 9 mg/l und bei 1,5 bar rund 13 mg/l.
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Aus Fig. 3 geht ein relativ tiefes Ablaufgewässer 12 hervor. Bei einem
derart tiefen Ablaufgewässer 12 wirkt
die Abflußleitung senkrecht
nach unten und wird von dem tiefsten Punkt dann allmählich schräg zur Einmündung
an eine Stelle so tief als möglich unterhalb der Wasserlinie des Ablaufgewässers
12 geführt. Im Falle eines relativ seichten Ablaufgewässers, wie es aus Fig. 4 hervorgeht,
wird die Abflußleitung U-förmig erreicht, so daß im Bereich des U-Steges die tiefste
Stelle zur Erzielung des oben erläuterten Uberdruckes erreicht wird. Von dieser
tiefsten Stelle aus (Bezugszeichen 13 in Fig. 4) wird das Wasser über eine bestimmte
Distanz senkrecht nach oben und dann in einer Schrägleitung 14 zur Einmündung in
das Ablaufgewässer 12 geführt. Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, wird die Ablaufleitung
hinter der Belüftungsvorrichtung senkrecht, also auf kürzestem Wege nach unten geführt,
um am tiefsten Punkt 13 den für die Sauerstofflöslichkeit günstigen Uberdruck zu
erreichen, und wird vom tiefsten Punkt an mit stetiger Steigerung zur Einmündung
in das Ablaufgewässer 12 geführt. Dies gewährleistet, daß sich gegebenenfalls ausbildende
großvolumige Luftblasen aufgrund ihres eigenen natürlichen Auf triebes stetig abgeführt
werden. Hierdurch ist die Gefahr von Luftsäcken, die in ungünstig verlegten Leitungen
hängen bleiben und den Ablauf behindern können, mit einfachen Maßnahmen ausgeschlossen.
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