Einrichtung zum Ausscheiden von Luftblasen in Wasserumlaufkanälen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ausscheiden von Luftblasen in Wasserumlaufkanälen bzw. Strömungskanälen mit freier Wasseroberfläche an der Meßstrecke oder im Aufenthaltsbereich, bei der die oberste Wasserschicht durch eine Scheide vom Hauptstrom abgetrennt und einer Beruhigungszone zugeführt wird, während der mit einem Fangsieb versehene Hauptstrom durch einen Krümmer nach unten abgelenkt wird.

Bei Wasserumlaufkanälen wird in der Meßstrecke oder im Aufenthaltsbereich durch das Eintauchen der zu messenden Objekte, der Meßeinrichtungen bzw. durch die sich hier aufhaltenden Personen dem Wasser Luft beigemischt, die vor dem erneuten Einpumpen in die Meßstrecke oder dem für Rehabilitationszwecke genutzten Abschnitt ausgeschieden werden soll. Hierzu ist es bekannt, an die Meßstrecke oder den Aufenthaltsbereich eine Beruhigungsstrecke anzuschliessen, in der die Luftblasen aus dem Wasser ausgeschieden werden.

So ist ein Umlaufkanal bekannt (Hansa-Schiffahrt-Schiffbau-Hafen - 105. Jg.,1968, Sondernummer SG, Nov., S. 2006-2010), bei dem der gesamte Wasserstrom nach dem Durchfließen der Meßstrecke durch eine Beruhigungsstrecke von 25 m Länge zum Ausscheiden der mitgerissenen Luftblasen geleitet wird. Neben dem Nachteil der großen Baulänge kommt ein hoher Energieaufwand zum erneuten Umpumpen der Wassermenge hinzu.

Es ist auch ein Umlaufkanal bekannt (Schiffstechnik Bd. 6, 1959, H. 33, S. 139-144), bei dem am Ende der Meßstrecke eine verstellbare Schneide die oberste, mit Luftblasen durchsetzte Wasserschicht abschneidet und über einen Siebkasten als Beruhigungsstrecke leitet. Die aufsteigende Luft wird über die Wasseroberfläche durch die Pumpe abgesaugt, damit das Wasser die Zulaufstrecke ohne freie Oberfläche füllt. Auch diese Lösung erfordert durch das Anbringen der zusätzlichen Pumpe einen größeren Bau- und Energieaufwand.

Aus DE-OS 21 05 551 ist ein Wasserumlaufkanal bekannt, bei dem die oberste Wasserschicht vom Hauptstrom abgetrennt und durch eine relativ lange Beruhigungsstrecke geleitet wird. Der Hauptstrom fließt hinter der Meßstrecke durch einen Diffusor, wodurch sich der Druck erhöht. Um die abgeschnittene kleine Wassermenge wieder in den Hauptstrom zurückzuführen, muß in den Nebenkreis eine zusätzliche Pumpe eingesetzt werden.

Desweiteren ist aus DD 301 361 A7 eine Kanukanalentwicklung bekannt, bei der ebenfalls die oberste Wasserschicht durch eine einstellbare Schneide vom Hauptstrom abgetrennt und durch ein Luftabscheidebecken dem nach unten gelenkten Hauptstrom wieder zugeführt wird. Der Hauptstrom wird hinter einem Auffangsieb nach dem Abschneiden der oberen Wasserschicht einem Diffusor zugeleitet, dem sich nach dem Umlenken des Wasserstroms in vertikale Richtung eine Düse anschließt, wodurch der Druck soweit abgebaut wird, daß der von der Schneide abgetrennte Teilstrom dem Hauptstrom ohne zusätzliche Pumpen wieder zugeführt werden kann. Der Diffusor vor dem Krümmer im Hauptstrom bedingt jedoch eine große Baulänge hinter der Meßstrecke.

Es sind auch Wasserumlaufkanäle gebaut worden, bei denen die oberste, mit Luft angereichterte Wasserschicht nicht abgetrennt wird. Das führt dazu, daß sich vor Wiedereintritt in den geschlossenen Kanal entweder ein Wasserschwall ausbildet, der seinerseits zusätzlich Luft einmischt, oder daß die vom Krümmer ausgehende Deformation der Geschwindigkeitsverteilung über die Wasserhöhe und damit verbunden eine Wasserspiegel absenkung größere Luftvolumenströme mitreißt. Welche Strömung sich einstellt hängt von der Wassergeschwindigkeit (Froude-Zahl) und den geometrischen Verhältnissen ab und ist nicht sicher vorauszubestimmen.

Um zu vermeiden, daß Personen oder Gegenstände von der Wasserströmung mitgerissen werden können, ist bei den meisten bekannten Umlaufkanälen hinter der Meßstrecke ein Fangsieb angeordnet.

Damit durch die Unterdruckzonen hinter den Siebstäben oder anderen Einbauten keine Luft in den Kreislauf gerissen wird, wird angestrebt, daß die Oberkante des Siebes unter dem Wasserspiegel liegt, was aber zu einem Rückstromgebiet führt, in dem sich Schmutz ansammeln kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, das Abscheiden der in der Meßstrecke oder im Aufenthaltsbereich eines Umlaufkanals mitgerissenen Luftblasen aus dem Wasserstrom mit möglichst geringem zusätzlichen Bau- und Energieaufwand zu gewährleisten und einen zusätzlichen Lufteintrag an der Fangeinrichtung zu verhindern.

Dabei soll die vom Hauptstrom abgeschnittene oberste Wasserschicht ohne zusätzliche Baulänge entgast und ohne zusätzliche Pumpen dem Hauptstrom wieder zugeführt werden.

Eine erfinderungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Hauptmerkmale der Erfindung bestehen darin, daß die zur Wasseroberfläche der Meßstrecke parallel verlaufende Schneidenunterseite in eine mit einem Radius R gerundete Schneidenvorderkante übergeht und der Raum über der Schneide von einer zur Schneidenvorderkante hin abfallenden Schwallkammer gebildet wird.

Das Fangsieb verläuft durch den Umströmungsbereich vor der Schneidenvorderkante und reicht über den Wasserspiegel hinaus. Unmittelbar im Anschluß an das Fangsieb beginnt unter dem Wasserspiegel die Kreisbogenkontur der Kanalwand.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich bei erfindungsgemäßer Ausführung eine stabile Umströmung der Schneidenvorderkante aus der Schwallkammer heraus einstellt, die durch das Einströmen der darüberliegenden Wasserschicht, Schwallausbildung, Wasserberuhigung mit Luftausscheidung und Rückströmung in die Meßstrecke gespeist wird.

Da im Bereich der Schneidenvorderkante eine Strömungsrichtungsumkehr verbunden mit starken Geschwindigkeitsgradienten auftritt, werden die Druckverhältnisse an den Siebdrähten bzw. -stegen so verändert, daß praktisch kein Lufteintrag erfolgt.

Verstärken läßt sich die positive Wirkung, indem ein anderweitig abgezweigter, gereinigter und/oder entgaster Wasserstrom der Schwallkammer zugeführt wird.

Die Höhe h der Schwallkammer kann hinreichend genau aus dem Quadrat der Wassergeschwindigkeit w geteilt durch das Doppelte der Erdbeschleunigung g ( h = w²/2g) berechnet werden; die Länge 1 der Schwallkammer beträgt das 3 bis 7-fache der Höhe. Die Neigung des Bodens der Schwallkammer zur Schneidenvorderkante hin beträgt vorzugsweise 2 - 5°.

Die Anordnung des Krümmers direkt am Ende der Meßstrecke oder des Aufenthaltsbereiches und der Schwallkammer über dem Krümmer sichert die kurze Baulänge des Umlaufkanals.

Entgegen der für ausgeführte Anlagen des Standes der Technik üblichen Vorgehensweise, daß der durch die Schneide abgeschnittene Teilstrom vom Hauptstrom abgezweigt, entgast und an anderer Stelle des Wasserkreislaufs wieder zugegeben wird, erfolgt durch die erfindungsgemäße Schwallkammeranordnung über der Schneide auch die Einleitung des abgeschnittenen Teilstromes an der Entnahmestelle.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1

einen Schnitt durch den Wasserumlaufkanal am Ende der Meßstrecke mit dem anschließenden Krümmer und der darüber angeordneten Schwallkammer und

Fig. 2

einen Schnitt durch die Schwallkammer und die sich ausbildenen Stromlinien.

Beschrieben wird die Ausführungsform mit zusätzlicher Wasserzufuhr in die Schwallkammer 5.

Hinter der offenen Meßstrecke 7 des Wasserumlaufkanals wird das Wasser durch den Krümmer 10 aus der horizontalen in die vertikale Richtung umgeleitet. Der Krümmer 10 wird durch die Kanalwand 8 nach außen begrenzt und ist zur Führung des Wasserstromes mit den sich über die gesamte Kanalbreite erstreckenden Krümmerschaufeln 11 versehen.

Am Übergang von der Meßstrecke 7 zur Kanalwand 8 ist die Schneide 4 angeordnet, die an der Schneidenvorderkante 3 den Radius R aufweist. An der Schneidenvorderkante 3 liegt das Fangsieb 6 an, das mit einer Neigung α von etwa 60° im Strömungskanal eingebaut ist. Der Raum über der Schneide 4 mit der Schneidenunterseite 1 und der Schneidenoberseite 2 ist als Schwallkammer 5 ausgebildet. Der Boden der Schwallkammer 5 entspricht der Schneidenoberseite 2, und er ist zur Schneidenvorderkante hin geneigt ausgeführt.

Die Höhe h der Schwallkammer 5 ergibt sich angenähert aus dem Quotienten des ins Quadrat gesetzten Wassergeschwindigkeit w geteilt durch den doppelten Wert der Erdbeschleunigung g. Die Länge 1 der Schwallkammer 5 beträgt dann das 3 bis 7-fache der Höhe h.

Am Ende der Schwallkammer 5 sind die Rohrleitungen 9 angeordnet, durch die zusätzlich anderweitig gereinigtes und entgastes Wasser der Schwallkammer 5 zugeführt wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine äußerst geringe Baulänge erreicht und auf den zusätzlichen Einbau von Pumpen verzichtet.

Bei der Schnittdarstellung nach Fig. 2 wurde auf eine zusätzliche Wasserzufuhr mittels Rohrleitungen 9 in die Schwallkammer 5 verzichtet.

Das Fangsieb 6 verläuft in Höhe der Schneide 4 im Rückströmbereich des Schwallwassers und liegt an der Umhausung der Schwallkammer 5 an.

Liste der Bezugszeichen

1 -

Schneidenunterseite

2 -

Schneidenoberseite

3 -

Schneidenvorderkante

4 -

Schneide

5 -

Schwallkammer

6 -

Fangsieb

7 -

Meßstrecke

8 -

Kanalwand

9 -

Rohrleitung

10 -

Krümmer

11 -

Krümmerschaufeln