DE2457724C3 - Strömungsstrecke zum Erreichen periodischen Pulsierens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 Strömungsrichtung abfällt und wenigstens teilweise als offenes Gerinne ausgebildet ist, und wobei die Erweiterungen aui — 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 Paiares im wesentlichen in derselben Horizontalebene ungeordnet sind, und daß zwischen je zwei Wannen eines Paares ein Verbindiingskanal vorgesehen ist

Aus der US-PS 30 08 64b ist zwar auch eine Strömungsstrecke bekannt, bei der eine instationäre, pulsierende Strömung gegeben ist Diese Strömungsstrecke (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 aHgemeinen 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 in 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 Flüssig keitsspiegels 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 einfachen 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, gui angereichert, ferner kann bei Verwendung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten eine gründliche Durchmischunß herbeigeführt oder auch bei Eingabe von festen Stoffen eine gute Auflösung, Emulgierung od. dgl. erreich! werden. Der ständige Flüssigkeitswechsel von einer Wanne zur gegenüberliegenden, d. h. über die Längsmittelachse der Strömungsstrecke hinweg, führt aber aucl: zu reizvollen ästhetischen Effekten, weshalb sich die erfindungsgemäße Strömnngsstrecke auch zur Aufstel lung in öffentlichen Anlagen od. dgl. eignet

Um besondere Strömungsverhältnisse zu erzielen können die Wannen in Strömungsrichtung größer odei in Strömungsrichtung zunächst größer und dann wiedei kleiner werden. Ferner können die Wannen — i; Draufsicht gesehen — zur Längsmittelachse de Strömungsstrecke symmetrisch angeordnet und gestal tet sein. Der Verbindungskanai zwischen zwei Paare! von Wannen kann — in Draufsicht gesehen — jeweil geradlinige, konvexe oder konkave Seitenwände auf weisen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand ii

Ausführungsbeispielen zum Teil schematisch

argestellt, und zwar zeigt
Pia 1 eine Strömungsstrecke in Draufsicht, V σ 2 bis 4 eine andere Strömungsstrecke bei

verschiedenen Strömungszuständen ebenfalls i.. Drauf-

5a und 5b das grundsätzliche Strömungsbild in ■mWanner^aar,
r. 6 eine Strömungsstrecke mit verscnieden gro-

ίο

ein^r Strömungsstrecke zugehörige Wannenpaare im Schaubild,

Pie 8 eine etwa der Fig.l entsprechende Stro^r'„trecke, ebenfalls im Schaubild,
ρ- »9 bis Π Ausführungsvarianten der Strömungs- 15 ecke bzw. von Teilen davon ebenfalls schaubildlich

^Unc i β 12 das Schema eines Wannenpaares, n'e F i E 1 bis 4 sind nach Lichtbildern einer

Ptnhrten in Betrieb befindlichen Strömungsstrecke 20 Senigt, wobei der Flüssigkeit kleine schwarze itPckiee Stücke zugesetzt wurden, die im Wasser Swebenind sich mit dem Wasser bewegen, so daß die Strömungsverhältnisse sichtbar werden. D.ese Stucke \,λΖ den F i g. 1 bis4 als kleine Pfeile eingetragen. 25

in Fig 1 sind der Hauptströmungsweg mit 10 und die krrisninden Wannen mit 12, 14, 16, 18, 20 und 22 SSneL Die Flüssigkeit, in der Regel Wasser, tritt bei Sn die Strömungsstrecke ein und verläßt diese bei 26. Sn"ei weise unterbrochener Wirbel entsteht jeweils an 30 S_n Stellen 8. Dabei ist in F i g. 1 der Zustand dargestellt, fach dem der Großteil der strömenden Wassermenge infolge der Linkszirkulation aus der Wanne 14 und η o Ie der Rtchtszirkulation aus der Wanne 16

äherwhend in die Wannen 12 bzw. 18 geleitet 35 wurde Tn Sn Wannen 20 und 22 herrscht ein Übergangszustand. Die Bewegung der Flüss.gke.tshauotmenre ändert sich ständig. So kann z. B., wenn die SSe der Flüssigkeit in der Wanne 18 zirkuliert, I aCdrfi übrigen Wannen 12, 16, 20 die Strömung ecbSerum 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 Verbindungsmann 6 so koSru ert, daß die Schwingungen innerhalb aufe.nan-Sander Wannenpaare einander beeinflussen. Soli kann ein Zusammenbruch der Schwingbewegung S Flüssigkeit in einem nachfolgenden Wannenpaar Serbegeführt und diese Schwingbewegung wieder Je eb bzw. wieder erzeugt werden, so wie s.e vom vorausgehenden Wannenpaar negativ oder positiv beSSßt wird. Mit anderen Worten durch eine besondere Ausführung des Verbindungskanals 6 kann Se weitere Schwingung erzeugt werden, die sich einer bestehenden lemniskatorischen Bewegung überlagert, was dazu führt, daß die letztere anscheinend völlig Tusammenbricht und danach wieder erzeugt wird. Seses Mieten und Verschwinden der lemmskator^ sehen Bewegung erfolgt mit einer sich wiederholenden PeriodSt Eine Pendelbewegung tritt gewöhnlich unmuSa 'nach einem Zusammenbruch und unm.ttelbTvor einem Wiedereinsetzen der lemn.skator.schen

Di??igfbis 4 zeigen ein Beispiel der Kombination von zwe WanLnpaaren 12/14 und 16/18, wobei die un vollständig in gegenseitige Beziehung snd Wenn mehr als zwei Wannenpaare auf 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 Kanim (Krone) bei 30 zu sehen ist, entsteht, wenn sieh das Wasser infolge des in Fig.2 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 besonderen 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 vorübergehend stabilen Zuständen beschrieben werden kann, wie dies in den F i g. 5a bzw. 5b im Grundriß gezeigt ist.

F i g. 6 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 um einen Grundtyp, der für Forschungszwecke verwendet 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 den Wannenpaar nach Fig. 10 kann der Wannenbodei Mach beiden Richtungen hin schräg abfallen. Dies Wannen haben schräge, gewölbte Wände und können i Reihe nach beiden Richtungen hin mit weiteren Wanne kombiniert werden. Die Art der Bewegung läßt sie ebenfalls variieren.

F i g. 11 zeigt ein Wannenpaar mit breiten, nac außen hin schräg abfallenden gewölbten Wänden, üb« die hinweg sich das Wasser intermittierend in eini dünnen Schicht ausbreitet, wenn es nach links odi rechts schwingt. Theoretisch können diese gewölbt« Wände in besonderen Fällen in Übereinstimmung π

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. ι ο

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 Fig. 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 Dder 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	a	D 18,20	C 13,50	H 10,00	3,0	4,0	F40	1,0	2,0	3,0	4,0
	P		F18			48	41	|_0,5	75	64	58	50
G	W	B υ	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	—	υ	2,0	2,6	1,9	—
5,0	W	X)	1,2	1,5	1,7	0,7	—	Xl -.3	2,4	2,9	2,1	—
6,0	W	3	1,1	1,4	1,6	0,6	—	C υ	1,8	2,3	1,7	—
9,0		1,0	1,3	1,5
12,0		0,9	1,1	1,3
		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 Fbetrug 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 mit 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 Faiie 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 D₁ 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 auf größere Werte von D in Beziehung auf größere Werte von F. Da der Wert von D allmählich abnimmt, klingt auch die lemniskatoris< j Bewegung bald ab. Die obigen Erkenntnisse la- jn sich grundsätzlich auch auf kompliziertere und speziellere, vom Wannenpaar nach F i g. 12 abgeleitete Konstruktionen anwenden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wannenpaare durch Kanäle miteinander verbunden, die — in Draufsicht gesehen — geradlinige

Seitenwände aufweisen. Jede Wanne kann bogenförmige, aufrechtstehende Rippen auf ihrem Boden aufweisen, wobei die Rippen derart gestaltet sind, daß sie das gewünschte Strömungsbild erzeugen oder dieses aufrechterhalten. Eine solche Rippe kann z. B. spiralförmig

fio ausgebildet sein. Der vertikale Querschnitt einer solchen Rippe kann quadratisch, rechteckig oder bogenförmig sein.

Desgleichen können die Verbindungskanälc zwischen zwei Wannenpaaren solche Rippen aufweisen. Dabei

ds kann die einzelne Rippe symmetrisch zur Hauptfluürichtung angeordnet sein und in dieser Richtung in ihrer Höhe leicht ansteigen. So kann die Rippe z. B. die Form einer Pyramide aufweisen, deren Grundfläche ein

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, /.. B. des Bodens der Schale, angeordnet ist. Derartige Einbeulungen werden vorteilhaftcrwei.se .stromabwärts unterhalb derjenigen Zone vorgesehen, in der sich der Wirbel periodisch bildet und wieder verschwindet.

Bei einer Strömungssireckc gemäß der Erfindung

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

Hierzu XHIaU /.ci

709 642/3

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 Strömungsrichtung 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 Verbindungskanal (6) vorgesehen ist.

2. Strömungsstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannen (12,14; 16,18; 20, 2i!) 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, J4; I15, 18; 20, 22) — in Draufsicht gesehen — jeweils geradlinige, konvexe oder konkave Seitenwände aufweist.