DE2457724B2 - Stroemungsstrecke zum erreichen periodischen pulsierens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsstrecke zum Erreichen periodischen Pulsierens, insbesondere periodischer Anhebung und Absenkung des Fiüssigkeitsspiegels der in der Strömungsstrecke fließenden Flüssigkeit, mit — in Draufsicht gesehen — einer Reihe von Erweiterungen und Verengungen, wobei die Strömungsstrecke wenigstens auf einem Teil ihrer Länge in Strömungsrichtung abfällt und wenigstens teilweise als offenes Gerinne ausgebildet ist, und wobei die Erweiterungen aus — in Draufsicht gesehen — wenigstens annähernd kreisrunden Wannen gebildet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Strömungsstrecke zu schaffen, die es unter geringstmöglichem Energieaufwand erlaubt, eine Flüssigkeit mit einem Gas anzureichern, eine innige Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten herbeizuführen, feste Stoffe in einer Flüssigkeit gut aufzulösen oder ähnliche Aufbereitungen vorzunehmen oder schließlich reizvolle ästhetische Effekte zu erreichen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Wannen paarweise, d. h. beidseits der Längsmittelachse der Strömungsstrecke angeordnet sind, daß die beiden Wannen eines jeden Paares im wesentlichen in derselben Horizontalebene angeordnet sind, und daß zwischen je zwei Wannen eines Paares ein Verbin dungskanal vorgesehen ist

Aus der US-PS 30 08 646 ist zwar auch eine Strömungsstrecke bekannt, bei der eine instationäre, pulsierende Strömung gegeben ist. Diese Strömungsnrecke (ein römischer Brunnen) weist jedoch nicht die erfindungsgemäßen Merkmale auf und vermag daher auch nicht die hier gestellte Aufgabe zu lösen.

Ein größerer Teil der in die Strömungsstrecke eintretenden Flüssigkeit gelangt in die erste Wanne und wirbelt in dieser herum, wobei die Flüssigkeit im allgemeinen der gewölbten Wannenwand folgt. Sie erreicht dann den vom Gefälle bestimmten Hauptströmungsweg, wo eine Durchkreuzung der Hauptströmung stattfindet Hierauf gelangt auf Grund dieses Zusammenstoßes zwischen den beiden einerseits dem Hauptströmungsweg folgenden, anderseits aus der einen Wanne austretenden Teilströmen eine größere Flüssigkeitsmenge Ln die gegenüberliegende Wanne, wo wiederum ein Kreislauf entlang der Wannenwand vor sich geht. Die aus dieser Wanne austretende Flüssigkeit befindet sich auf einem Kollisionskurs mit der neu eintretenden Flüssigkeit, wodurch bewirkt wird, daß die neu eintretende Flüssigkeit nach hinten zu einem Rundkurs in der ersten Wanne abgelenkt wird. Es wiederholt sich der Kreislauf, die Flüssigkeit wird abwechselnd nach der einen oder anderen Seite des Hauptströmungsweges abgelenkt, und es ergibt sich eine sogenannte »lemniskatorische« Strömung bzw. Bewegung, die einem periodischen Pulsieren gleichkommt. Die durch die erfindungsgemäße Strömungsstrecke fließende Flüssigkeit erfährt dabei eine periodische Geschwindigkeitsveränderung, die sich auch in einer periodischen Hebung und Senkung des Flüssigkeitsspiegels äußert, wobei lediglich jene Energie aufgewendet werden muß, um die Flüssigkeit zum Eintritt in die Strömungsstrecke zu bringen, da die weitere Flüssigkeitsbewegung durch das Gefälle bewirkt wird.

Da der Strömungsweg für den größten Teil der Flüssigkeit im Vergleich mit einer einfachcii Strömungsstrecke beträchtlich verlängert wird und überdies ein Pulsieren bzw. ein periodisches Anheben und Absenken des Flüssigkeitsspiegels stattfindet, wird die Flüssigkeit mit dem die Strömungsstrecke umgebenden Gas, also vor allem Wasser mit Sauerstoff bzw. Luft, gut angereichert, ferner kann bei Verwendung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten eine gründliche Durchmischung herbeigeführt oder auch bei Eingabe von festen Stoffen eine gute Auflösung, Emulgierung od. dgl. erreicht werden. Der ständige Flüssigkeitswechsel von einer Wanne zur gegenüberliegenden, d. h. über die Längsmittelachse der Strömungsstrecke hinweg, führt aber auch zu reizvollen ästhetischen Effekten, weshalb sich die erfindungsgemäße Strömungsstrecke auch zur Aufstellung in öffentlichen Anlagen od. dgl. eignet.

Um besondere Strömungsverhältnisse zu erzielen können die Wannen in Strömungsrichtung größer odei in Strömungsrichtung zunächst großer und dann wiedei kleiner werden. Ferner können die Wannen — ir Draufsicht gesehen — zur Längsmittelachse dei Strcmungsstrecke symmetrisch angeordnet und gestal tet sein. Der Verbindungskanal zwischen zwei Paarer von Wannen kann — in Draufsicht gesehen — jeweils geradlinige, konvexe oder konkave Seitenwände auf weisen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand ir

mehreren Ausführungsbeispielen zum Teil schematisch dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Slrömungsstrecke in Draufsicht,

Fig.2 bis 4 eine andere Strömungsstrecke bei verschiedenen Strömungszuständen ebenfalls in Draufsieht,

F i g. 5a und 5b das grundsätzliche Strömungsbild in einem Wannenpaar,

Fig.6 ehe Strömungsstrecke mit verschieden großen Wannen,

Fig.7 zwei einer Strömungsstrecke zugehörige Wannenpaare im Schaubild,

Fig.8 eine etwa der Fig. 1 entsprechende Strömungsstrecke, ebenfalls im Schaubild,

Fig.9 bis 11 Ausführungsvarianten der Strömungsstrecke bzw. von Teilen davon ebenfalls schaubildli. h und

F i g. 12 das Schema eines Wannenpaares.

Die F i g. 1 bis 4 sind nach Lichtbildern einer ausgeführten, in Betrieb befindlichen Strömungsstrecke angefertigt, wobei der Flüssigkeit kleine schwarze rechteckige Stücke zugesetzt wurden, die im Wasser schweben und sich mit dem Wasser bewegen, so daß die Strömungsverhältnisse sichtbar werden. Diese Stücke sind in den F i g. 1 bis 4 als kleine Pfeile eingetragen.

In F i g. 1 sind der Hauptströmungsweg mit 10 und die kreisrunden Wannen mit 12, 14, 16, 18, 20 und 22 bezeichnet. Die Flüssigkeit, in der Regel Wasser, tritt bei 24 in die Strömungsstrecke ein und verläßt diese bei 26. Ein zeitweise unterbrochener Wirbel entsteht jeweils an den Stellen 8. Dabei ist in F i g. 1 der Zustand dargestellt, nach dem der Großteil der strömenden Wassermenge infolge der Linkszirkulation aus der Wanne 14 und infolge der Rechtszirkulation aus der Wanne 16 vorübergehend in die Wannen 12 bzw. 18 geleitet wurde. In den Wannen 20 und 22 herrscht ein Übergangszustand. Die Bewegung der Flüssigkeitshauptmenge ändert sich ständig. So kann z. B., wenn die Hauptmenge der Flüssigkeit in der Wanne 18 zirkuliert, in allen drei übrigen Wannen 12, 16, 20 die Strömung rechtsherum erfolgen, was aber nur kurze Zeit andauert. Eine weitere periodische Beziehung kann zwischen den Wannen 12 und 14,16 und 18 sowie 20 und 22 angeregt werden, indem man den Verbindungskanal 6 so konstruiert, daß die Schwingungen innerhalb aufeinanderfolgender Wannenpaare einander beeinflussen. Somit kann ein Zusammenbruch der Schwingbewegunj der Flüssigkeit in einem nachfolgenden Wannenpaar herbeigeführt und diese Schwingbewegung wieder belebt bzw. wieder erzeugt werden, so wie sie vom vorausgehenden Wannenpaar negativ oder positiv beeinflußt wird. Mit anderen Worten, durch eine besondere Ausführung des Verbindungskanals 6 kann eine weitere Schwingung erzeugt werden, die sich einer bestehenden lemniskatorischen Bewegung überlagert, was dazu führt, daß die letztere anscheinend völlig zusammenbricht und danach wieder erzeugt wird. Dieses Auftreten und Verschwinden der lemniskatorischen Bewegung erfolgt mit einer sich wiederholenden Periodizität. Eine Pendelbewegung tritt gewöhnlich unmittelbar nach einem Zusammenbruch und unmittelbar vor einem Wiedereinsetzen der lemniskatorischen Bewegung auf.

Die F i g. 2 bis 4 zeigen ein Beispiel der Kombination von zwei Wannenpaaren 12/14 und 16/18, wobei die Bewegungen vollständig in gegenseitige Beziehung geraten sind. Wenn mehr als zwei Wannenpaare auf diese Art kombiniert werden, tritt keine Schwingung auf. F i g. 2 zeigt den Zustand, nachdem der Großteil des Wasserstroms infolge der Linkszirkulation, die in den Wannen 14 und 18 zu sehen ist, vorübergehend in die Wanne 16 abgelenkt wurde. Kurze Zeit später tritt eine Situation ein (Fig.3), bei der der Großteil der strömenden Wassermasse in die Wanne 18 »umgeschaltet« wurde, wodurch in dieser Wanne eine starke Linkszirkulation entsteht Eine Welle, deren Kamm (Krone) bei 30 zu sehen ist, entsteht, wenn sich das Wasser infolge des in Fig.? gezeigten früheren Zustandes seitlich aus der Wanne 16 heraus gegen den eintretenden Strom 10 bewegt. Fig.4 zeigt einen Zustand ähnlich dem in F i g. 2.

Die Beobachtung zeigt, daß eine rhythmische Bewegung entsteht, die durch die Wirkung des strömenden Wassers selbst herbeigeführt und selbst aufrechterhalten wird. Die Hauptmenge des strömenden Wassers schwingt zwischen der Zirkulation in einer Wanne und ihrem gegenüberliegenden Gegenstück. Die erläuterte Strömungsstrecke führt also eine sich selbst erregende Schwingbewegung in einer über eine Gefällstrecke frei fließenden Flüssigkeit herbei. Sie kann mit Wasser als Träger für eine begrenzte Menge mineralischer und/oder organischer Stoffe verwendet werden.

Die Wannen bzw. Wannenpaare sind in der Regel so miteinander verbunden, daß keine Flüssigkeit entweichen kann, so daß also ein ununterbrochener Kanal gebildet ist. Durch die abwechselnde, symmetrische oder in besondere λ Fällen asymmetrische Verengung und Erweiterung des Kanals werden die Quer- oder Längsschwingungen, die sich in der fließenden Flüssigkeit aufbauen, herbeigeführt und/oder aufrechterhalten. Die Erfindung läßt sich besonders auf Wasser anwenden.

Der Hauptzweck der erfindungsgemäßen Ausbildung der Strömungsstrecke liegt darin, daß eine lemniskatorische Bewegung erzielt wird, die auch als kontinuierliche Schwingung des Strömungsbildes der Hauptströmung zwischen zwei /orübergehend stabilen Zuständen beschrieben werden kann, wie dies in den F i g. 5a bzw, 5b im Grundriß gezeigt ist.

F i g. δ zeigt eine Strömungsstrecke, bei welcher der Hauptströmungsweg und die Wannen durch gewölbte senkrechte Wände 40 und 42 begrenzt werden, wobei die Flächengröße und Form der Wannen allmählich zu- und dann wieder abnehmen. Der Flüssigkeitsein- und -austritt ist mit 44 und 46 bezeichnet.

In den F i g. 7 und 8 ist die Strömungsstrecke nach F i g. 1 schaubildlich dargestellt. Hier handelt es sich urr einen Grundtyp, der für Forschungszwecke verwendei wird, um die Verhältnisse im einzelnen zu untersuchen Der Kanal zwischen den Wannen kann durch gewölbt« oder gerade Wände gebildet werden.

Fig.9 zeigt eine Variante einer Strömungsstrecke die als eine Einheit in Keramik ausgeführt ist. Bei derr Wannenpaar nach Fig. 10 kann der Wannenboder nach beiden Richtungen hin schräg abfallen. Dies« Wannen haben schräge, gewölbte Wände und können ir Reihe nach beiden Richtungen hin mit weiteren Wanner kombiniert werden. Die Art der Bewegung läßt siel ebenfalls variieren.

Fig. 11 zeigt ein Wannenpaar mit breiten, nacl außen hin schräg abfallenden gewölbten Wänden, übei die hinweg sich das Wasser intermittierend in einei dünnen Schicht ausbreitet, wenn es nach links odei rechts schwingt. Theoretisch können diese gewölbter Wände in besonderen Fällen in Übereinstimmung mi

Kurven gebracht werden, denen mathematische Funktionen zugrunde liegen.

Die Einzelteile der erfindungsgemäßen Strömungsstrecke können in verschiedener Weise hergestellt, z. B. gegossen, gepreßt, geblasen usw. werden, wobei sich das jeweils angewendete Verfahren nach dem Herstellungsmaterial, d. h. Beton, künstliche Steinmasse, verharztes Glas, Kunststoff, Metall etc. richtet, das wieder nach seiner Neutralität gegenüber den betreffenden Flüssigkeiten ausgewählt wird.

Die folgende, aus mehreren 100 Werten zusammengestellte Tabelle vermittelt ein Bild vom Grad der möglichen Änderung in den Proportionen eines Wannenpaares, womit eine lemniskatorische Bewegung nach den Abb.5a und 5b herbeigeführt wird; gezeigt wird auch die überaus wirksame Kombination von Proportionen und Gefällstrecken bei einer gegebenen Strömung (Durchsatz). Auf beiden Seiten der optimalen Kombination klingt die Bewegung aus.

In der folgenden Tabelle bedeuten unter Bezugnahme auf F ig. 12

D den Durchmesser der Wanne in cm,

H die Höhe der Wanne in cm,

C die Länge der Sehne für den von der kreisrunden

Wanne abgeschnittenen Teil in cm,
F den Durchsatz in l/min,
A die öffnung zwischen den Wannen, die einen

parallelen Kanal bilden.
G die Gefällstrecke cm/100,
W die Differenz zwischen hohen und niedrigen

Wellenpunkten, abgenommen an der Stelle W, P die Anzahl der Pendelbewegungswellen je Minute

und
TD die maximale Breite des Wannenpaares.

Bei einem Durchmesser D der kreisrunden Wanne bei 18,20 cm und einer Höhe H bei 10 cm gibt es vier Veränderliche, nämlich die Länge C der Sehne des von einer kreisrunden Wanne abgeschnittenen Teils, die öffnung A zwischen den Wannen, den Durchsatz F (Wasserdurchsatzwerte vom Behälter bei minimalem Druck) und das Gefälle G.

	A	υ	D 18,20	C 13,50	HlO1OO	3,0	4,0	FAO	1,0	2,0	3,0	4,0
	P	CO	F18			48	41	0,5	75	64	58	50
G	W	C ti	0,5	1,0	2,0	0,5	0,3		1,2	1,5	0,9	0,4
	W	S	70	62	53	0,9	—		1,9	2,0	1,7	0,6
1,5	W	C	0,4	0,9	1,4	0,8	—	CJ	2,0	2,6	1,9	—
5,0	W		1,2	1,5	1,7	0,7	—	Xl :3	2,4	2,9	2,1	—
6,0	IV	Mu	1,1	1,4	1,6	0,6	—	C OJ	1,8	2,3	1,7	—
9,0		1,0	1,3	1,5
12,0		0,9	1,1	1,3			si
		Mulden leeren	sich

Alle Tabellenwerte beziehen sich auf ein Wannenpaar, dessen Wannen die folgenden Werte haben: D= 18,20 cm, C= 13,50 cm und H= 10,00 cm. Der Durchsatz F betrug entweder ca. 18 l/min oder 40 l/min, wobei jeweils gleiche Reihen von Werten für G und A getestet wurden.

Wie ersichtlich, bleibt die Schwingung P bei einer gegebenen öffnung konstant, obgleich sich das Wannenpaar aufgrund einer Abnahme von G füllt. Die Schwingung P wird jedoch schneller, da sich das Wannenpaar aufgrund einer Abnahme von A füllt. Die zwei Werte von W, die zur Berechnung des angegebenen W-Wertes verwendet werden, zeigen deutlich, daß sich die Wannen gegen die kleinen Werte von G und A (d.h. oben links in jedem Tabellenblock) füllen (und schließlich überlaufen). Anderseits (unten rechts) leeren sich die Wannen gegen die größeren Werte von G und A

Gegen die niedrigeren Werte von F wird die maximale Wellendifferenz mil einem flacheren Gefälle erreicht, während gegen die höheren Werte von F der Höchstwert mit einem steileren Gefälle erzielt wird. Es scheint jedoch, daß die maximale Wellendifferenz in diesem Falle bei einer konstanten öffnung, nämlich 2 cm, erreicht wird, und zwar unabhängig vom Gefällle. Zu beiden Seiten dieses Maximalwertes verringert sich die Wellendifferenz gegen die niedrigeren und höheren Werte von A und G.

Daraus folgert daß ein gegebener Satz der Werte von D, C und F einen resultierenden Maximalwert für W zustande bringt, bei dem das Wannenpaar sehr gut funktioniert. Da F über 10 l/min hinaus ansteigt, läuft das Wannenpaar bald so stark über, daß jede Pendelbewegung aufhört.

Ein anderer Satz Werte (nicht gezeigt), bei dem C variiert wird, läßt erkennen, daß die lemniskatorische Bewegung abnimmt, wenn sich C symmetrisch auf beiden Seiten dem Wert 11 bzw. 16 nähert

Diese Ergebnisse finden direkt Anwendung au! größere Werte von D in Beziehung auf größere Werte von F Da der Wert von D allmählich abnimmt, klingi auch die lemniskatorische Bewegung bald ab. Die obigen Erkenntnisse lassen sich grundsätzlich auch aul kompliziertere und speziellere, vom Wannenpaar nach F i g. 12 abgeleitete Konstruktionen anwenden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wannenpaare durch Kanäle miteinandei verbunden, die — in Draufsicht gesehen — geradlinig! Seitenwände aufweisen. Jede Wanne kann bogenförmi ge, aufrechtstehende Rippen auf ihrem Boden aufwei sen, wobei die Rippen derart gestaltet sind, daß sie da: gewünschte Strömungsbild erzeugen oder dieses auf rechterhalten. Eine solche Rippe kann z. B. spiralform!} ausgebildet sein. Der vertikale Querschnitt eine solchen Rippe kann quadratisch, rechteckig ode bogenförmig sein.

Desgleichen können die Verbindungskanäle zwischei zwei Wannenpaaren solche Rippen aufweisen. Dabe kann die einzelne Rippe symmetrisch zur Hauptfluß richtung angeordnet sein und in dieser Richtung in ihre Höhe leicht ansteigen. So kann die Rippe z. B. die Forn einer Pyramide aufweisen, deren Grundfläche eil

spitzwinkliges gleichseitiges Dreieck ist, wobei die Winkelhalbierende parallel zur Hauptflußrichtung verläuft und die Spitze des Dreiecks stromaufwärts liegt. Jede Wanne kann auch mit einer konkaven, glockenförmigen Einbeulung ausgestattet sein, die im mittleren Bereich, z. B. des Bodens der Schale, angeordnet ist. Derartige Einbeulungen werden vorteilhafterweise stromabwärts unterhalb derjenigen Zone vorgesehen, in der sich der Wirbel periodisch bildet und wieder verschwindet.

Bei einer Strömungsstrecke gemäß der Erfindung

wurden z. B. Wannenpaare verwendet, die sich über eine Länge von 10 m zwischen Einlauf und Auslaul erstreckt. Das Gefälle zwischen Einlauf und Ausiaul betrug 1 m. Der Sauerstoffgehalt des Wassers beirr Einlauf wurde mit 0,3 mg/1 gemessen. Beim Auslaul betrug der Sauerstoffgehalt bereits 6 mg/1, womit ein« zwanzigfache Anreicherung erzielt wurde. Dabei führU das Wasser eine lemniskatorische Bewegung aus. Soferr man diese lemniskatorische Bewegung nicht herbeiführ te, wurde mit derselben Strecke keine nennenswert! Sauerstoffanreicherung erzielt.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

70951

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Strömungsstrecke zum Erreichen periodischen Pulsierens, insbesondere periodischer Anhebung und Absenkung des Flüssigkeitsspiegels der in der Strömungsstrecke fließenden Flüssigkeit, mit — in Draufsicht gesehen — einer Reihe von Erweiterungen und Verengungen, wobei die Strömungsstrecke wenigstens auf einem Teil ihrer Länge in Strömungs- ι ο richtung abfällt und wenigstens teilweise als offenes Gerinne ausgebildet ist, und wobei die Erweiterungen aus — in Draufsicht gesehen — wenigstens annähernd kreisrunden Wannen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannen (12, 14, 16, 18, 20, 22) paarweise, d. h. beidseits der Längsmittelachse der Strömungsstrecke angeordnet sind, daß die beiden Wannen eines jeden Paares (12, 14; 16, 18; 20, 22) im wesentlichen in derselben Horizontalebene angeordnet sind, und daß zwischen je zwei Wannen eines Paares ein Verbindungskanai (6) vorgesehen ist.

2. Strömungsstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannen (12,14; 16, 18; 20, 22) in Strömungsrichtung größer werden.

3. Strömungsstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannen (12, 14; 16, 18; 20, 22) in Strömungsrichtung zunächst größer und dann wieder kleiner werden.

4. Strömungsstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannen (12, 14; 16, 18; 20, 22) — in Draufsicht gesehen — zur Längsmittelachse der Strömungsstrecke symmetrisch angeordnet und gestaltet sind.

5. Strömungsstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (6) zwischen zwei Paaren von Wannen (12,14; 16, 18; 20, 22) — in Draufsicht gesehen — jeweils geradlinige, konvexe oder konkave Seitenwände aufweist,