DE20100520U1

DE20100520U1 - Arrangement for limiting the flow through the outlet of a liquid container, e.g. a rainwater retention basin

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Publication number: DE20100520U1
Application number: DE20100520U
Authority: DE
Original assignee: Bionik Innovative Technik fuer die Umwelt GmbH
Current assignee: Bionik Innovative Technik fuer die Umwelt GmbH
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2011-01-13

Description

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DIPL.-ING. F. W. MOLL · DIPL.-ING. H. CH. BITTERICHDIPL.-ING. F. W. MOLL · DIPL.-ING. H.CH. BITTER ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMTADMISSIONS BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE LANDAU/PFALZLANDAU/PALATINATE

11.01.2001 M/Mr.11.01.2001 M/Mr.

BIONIK GmbH - Innovative Technik für die Umwelt, 65232 TaunussteinBIONIK GmbH - Innovative technology for the environment, 65232 Taunusstein

Anordnung zur Begrenzung des Durchflusses durch den Auslauf eines Flüssigkeitsbehälters, zum Beispiel eines RegenrückhaltebeckensArrangement for limiting the flow through the outlet of a liquid container, for example a rainwater retention basin

CORRESPONDENCE LAW FIRM BWKVgBINDUNGEN

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TELEGRAMME INVENTION FAX 0 63 41 / 2 Q3 56 275 62-676 (BLZ 545 100 67)TELEGRAM INVENTION FAX 0 63 41 / 2 Q3 56 275 62-676 (Bank code 545 100 67)

Beschreibung:Description:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Begrenzung des Durchflusses durch den Auslauf eines Flüssigkeitsbehälters, zum Beispiel eines Regenrückhaltebeckens oder dergleichen in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels.The invention relates to an arrangement for limiting the flow through the outlet of a liquid container, for example a rain retention basin or the like, depending on the height of the liquid level.

In Mischwasserkanälen werden zur Verminderung des Zulaufs zur Kläranlage bei Regen und zur Speicherung oder auch zur Klärung des Regenabflusses vor Einleitung des Regenwassers in den Vorfluter sogenannte Regenentlastungen angeordnet. Zu solchen Regenentlastungen gehören neben einfachen Regenüberläufen vor allem Regenrückhaltebecken, Regenüberlaufbecken bzw. Kanalstauräume mit Entlastung und Regenwasserklärbecken. Regenrückhaltebecken beispielsweise speichern die großen Wassermengen, die bei starken Regenfällen plötzlich abfließen und geben sie langsam und gedrosselt wieder ab.So-called rain overflows are installed in combined sewers to reduce the flow to the sewage treatment plant during rain and to store or clarify the rainwater runoff before it is discharged into the receiving water. In addition to simple rain overflows, such rain overflows include rain retention basins, rain overflow basins or sewer storage areas with relief and rainwater treatment basins. Rain retention basins, for example, store the large amounts of water that suddenly flow away during heavy rainfall and release them again slowly and at a reduced rate.

Ein Problem bei Bau und Betrieb solcher Regenentlastungen liegt in der Begrenzung des Abflusses, wofür verschiedene Arten von Drosselanlagen bekannt sind. Durch solche Drosselanlagen soll gewährleistet werden, dass auch bei starken Regenfällen der Wasserabfluss möglichst konstant bleibt. Drosselanlagen dieser Art sollen möglichst selbsttätig und wartungsfrei arbeiten.One problem with the construction and operation of such storm water overflows is the limitation of the discharge, for which various types of throttling systems are known. Such throttling systems are intended to ensure that the water discharge remains as constant as possible even during heavy rainfall. Throttling systems of this type are intended to operate as automatically and maintenance-free as possible.

In diesem Zusammenhang sind hydraulisch-mechanisch arbeitende Drosselorgane bekannt, die meist im Rückhaltebecken selbst vor der Auslauföffnung angeordnet werden. Die Bewegung des Drosselorgans, zum Beispiel einer Drosselblende oder eines Drosselschiebers, wird dabei in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels durch einen Schwimmer gesteuert, der mittels Übertragungselementen mit dem Drosselorgan bewegungsschlüssig verbunden ist (EP-A 0 132 775). Das Drosselorgan verändert so unmittelbar den Querschnitt der Auslauföffnung. Da die Drosselanlage im Betrieb unter Wasser arbeitet, ist sie Verschmutzungen und Korrosionserscheinungen stark ausgesetzt; außerdem können etwaigeIn this context, hydraulic-mechanical throttle devices are known, which are usually arranged in the retention basin itself in front of the outlet opening. The movement of the throttle device, for example a throttle orifice or a throttle slide, is controlled depending on the height of the liquid level by a float, which is connected to the throttle device by means of transmission elements (EP-A 0 132 775). The throttle device thus directly changes the cross-section of the outlet opening. Since the throttle system operates under water, it is highly exposed to contamination and corrosion; in addition, any

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Verstopfungen der Auslauföffnung nicht oder nur mit großen Anstrengungen beseitigt werden.Blockages in the outlet opening cannot be removed or can only be removed with great effort.

Neben dem Einsatz von Schwimmern zur Steuerung einer Regelvorrichtung für den Abfluss einer Flüssigkeit aus einem Behälter ist es auch schon bekannt geworden, die Druckdifferenz zwischen dem hydraulischen Druck in einem dem Ablaufkanal zugeordneten Druckraum und demjenigen in einem Druckraum auszunutzen, der mit dem Ablaufkanal über einen Saugkanal verbunden ist, in dem infolge der Strömungsgeschwindigkeit der ablaufenden Flüssigkeit sich ein gegenüber dem im Ablaufkanal herrschenden Druck reduzierter Druck einstellt (EP 0 323 393 A2). Zwischen beiden Druckräumen ist ein um eine horizontale Achse schwenkbarer Druckaufnehmer angeordnet, der entsprechend der beim Ablauf eintretenden Druckdifferenz Schwenkbewegungen ausführt, die über ein Gestänge auf ein den Ablaufkanal freigebendes oder teilweise verschließendes Drosselorgan übertragen werden. Da hier nur die Druckdifferenz zwischen dem in dem Behälter herrschenden hydraulischen Druck und dem infolge Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit aus dem Ablaufkanal reduzierten Druck im Saugkanal ausgenützt wird, reicht die hieraus resultierende Kraft nicht für eine zuverlässige Steuerung der Drosselorgans aus. Außerdem arbeitet auch hierbei das Drosselorgan unter Wasser, ist also Verschmutzungen und Korrosionserscheinungen ausgesetzt.In addition to the use of floats to control a control device for the outflow of a liquid from a container, it is also already known to use the pressure difference between the hydraulic pressure in a pressure chamber associated with the outflow channel and that in a pressure chamber that is connected to the outflow channel via a suction channel in which, due to the flow speed of the outflowing liquid, a pressure reduced compared to the pressure prevailing in the outflow channel is established (EP 0 323 393 A2). Between the two pressure chambers, a pressure sensor that can be pivoted about a horizontal axis is arranged, which performs pivoting movements in accordance with the pressure difference occurring during the outflow, which are transmitted via a rod to a throttle element that opens or partially closes the outflow channel. Since only the pressure difference between the hydraulic pressure prevailing in the container and the pressure in the suction channel, which is reduced due to the increase in the exit speed of the liquid from the outflow channel, is used here, the resulting force is not sufficient for reliable control of the throttle element. In addition, the throttle body also works underwater and is therefore exposed to contamination and corrosion.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine von der Stauhöhe der gespeicherten Flüssigkeit abhängige Möglichkeit der Beeinflussung des Abflusses aus einem derartigen Flüssigkeitsbehälter anzugeben, die möglichst ohne bewegte Teile auskommt, die also Verschmutzungen und Korrosionserscheinungen nicht in dem Maße ausgesetzt ist wie Drosselanlagen mit bewegten Teilen und die auch möglichst nicht der Gefahr von Verstopfungen unterliegt.Against this background, the invention is based on the object of specifying a possibility of influencing the outflow from such a liquid container, which depends on the storage height of the stored liquid and which, if possible, does not require moving parts, which is therefore not exposed to contamination and corrosion phenomena to the same extent as throttle systems with moving parts and which, if possible, is also not subject to the risk of blockages.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, this object is achieved by an arrangement having the features specified in claim 1.

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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments arise from the subclaims.

Die Erfindung baut auf der bekannten Bernoullischen Gleichung auf, deren wesentlicher Inhalt die Erkenntnis ist, dass längs eines Stromfadens der Druck abnimmt, wenn die Geschwindigkeit wächst und umgekehrt. Hieraus abgeleitet liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, im Ablaufbereich eines gattungsgemäßen Flüssigkeitsbehälters eine stationäre Strömung zu erzeugen und durch Verengung des Strömungsquerschnitts an einer Stelle die Strömungsgeschwindigkeit so zu erhöhten, dass durch den dadurch bedingten Druckabfall der draußen herrschende atmosphärische Luftdruck unterschritten wird, so dass über eine im Bereich dieser Verengung mündende Belüftungsleitung Luft angesaugt wird, die sich der strömenden Flüssigkeit beimischt. Durch diesen Effekt wird je nach der Menge der Luftzumischung der Widerstand in dem Reaktionsrohr vergrößert, in dem eine Zweiphasenströmung aus Wasser und Luft herrscht, so dass eine Durchflussreduzierung ohne aktive Querschnittsveränderung erreicht wird, wie sie bei bekannten Drosselorganen eintritt. Damit ist im Auslaufbereich des Flüssigkeitsbehälters immer der gleiche große Querschnitt vorhanden, so dass auch relativ große Schmutzteile im Abwasser den Auslauf ohne Blockade durchströmen können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Abwasser belüftet wird.The invention is based on the well-known Bernoulli equation, the essential content of which is the knowledge that the pressure decreases along a stream line when the speed increases and vice versa. Derived from this, the invention is based on the idea of generating a stationary flow in the discharge area of a generic liquid container and increasing the flow speed by narrowing the flow cross-section at one point so that the resulting pressure drop causes the atmospheric air pressure outside to fall below it, so that air is sucked in via a ventilation line opening in the area of this constriction and mixed with the flowing liquid. This effect increases the resistance in the reaction tube, in which a two-phase flow of water and air prevails, depending on the amount of air added, so that a flow reduction is achieved without an active change in cross-section, as occurs with known throttle devices. This means that the outlet area of the liquid container always has the same large cross-section, so that even relatively large dirt particles in the wastewater can flow through the outlet without blockage. Another advantage is that the wastewater is aerated.

Voraussetzung für den Eintritt der Wirkung der Erfindung ist allerdings, dass der Flüssigkeitsstrom so groß ist, dass auch am Rohrende der gesamte Querschnitt ausgefüllt ist. Um diesen Zustand schon bei möglichst kleinen Durchflussmengen bzw. geringen Füllhöhen im Speicher zu erreichen, ist es sinnvoll, das Reaktionsrohr um den Winkel &agr; steigend zu verlegen. Um zugleich den Trockenwetterabfluss sicherzustellen, ist im Bereich der Sohle des steigend verlegten Reaktionsrohres eine Trockenwetterrinne mit üblichem Gefälle vorzusehen.However, the prerequisite for the invention to take effect is that the liquid flow is so large that the entire cross-section is filled at the end of the pipe. In order to achieve this state even with the smallest possible flow rates or low filling levels in the reservoir, it is advisable to lay the reaction pipe so that it rises by the angle α. In order to ensure dry weather drainage at the same time, a dry weather channel with a normal gradient must be provided in the area of the base of the reaction pipe laid so that it rises.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Auslaufbereich eines mit einer erfindungsgemäßen Anordnung ausgestatteten Behälters,Fig. 1 shows a schematic representation of the outlet area of a container equipped with an arrangement according to the invention,

Fig. 2 den zentralen Teil der erfindungsgemäßen Anordnung im Längsschnitt in größerem Maßstab,Fig. 2 shows the central part of the arrangement according to the invention in longitudinal section on a larger scale,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie Ill-Ill in Fig. 2,Fig. 3 is a cross-section along the line III-III in Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm des Durchfluss- und Ansaugverhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung in Abhängigkeit von der Füllhöhe im Flüssigkeitsbehälter undFig. 4 is a diagram of the flow and suction behavior of the arrangement according to the invention as a function of the filling level in the liquid container and

Fig. 5 ein Diagramm der erfindungsgemäßen Durchflussreduzierung infolge der Luftbei mischung.Fig. 5 is a diagram of the flow reduction according to the invention due to the addition of air.

Fig. 1 zeigt in einem schematischen Längsschnitt den Auslaufbereich eines Behälters 1 mit einer Behälterstirnwand 2 und einer Behältersohle 3. Im Bereich der Behälterstirnwand 2 befindet sich im Sohlbereich die Auslauföffnung 4. Vor der Auslauföffnung 4 liegt ein Auslaufröhr 5 mit einem die erfindungsgemäße Verengung des Durchflussquerschnitts umfassenden Einbauteil 6, das sich in ein die Behälterwand 2 durchdringendes Reaktionsrohr 7 fortsetzt. Der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 1 hat die Höhe H; Auslaufrohr 5 und Reaktionsrohr 7 haben den Durchmesser D. Das Reaktionsrohr kann um den Winkel &agr; steigend verlegt sein. An das Einbauteil 6, das den zentralen Teil der Erfindung darstellt und in den Fig. 2 und 3 in größerem Maßstab gezeigt ist, schließt ein Belüftungsrohr 8 an, das über den Flüssigkeitsspiegel hinausreicht.Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of the outlet area of a container 1 with a container front wall 2 and a container base 3. In the area of the container front wall 2, the outlet opening 4 is located in the base area. In front of the outlet opening 4 there is an outlet pipe 5 with an installation part 6 comprising the constriction of the flow cross-section according to the invention, which continues into a reaction pipe 7 penetrating the container wall 2. The liquid level in the container 1 has the height H; outlet pipe 5 and reaction pipe 7 have the diameter D. The reaction pipe can be laid so as to rise by the angle α. The installation part 6, which represents the central part of the invention and is shown on a larger scale in Figs. 2 and 3, is followed by a ventilation pipe 8 which extends above the liquid level.

Wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, ist in das Einbauteil 6, das zweckmäßigerweise aus einem Abschnitt 9 des gleichen Rohres besteht, aus dem auch Auslaufrohr 5 und Reaktionsrohr 7 bestehen, ein Sperrkörper 10 eingesetzt, der im Längsschnitt des Rohres gesehen die aus Fig. 2 erkennbare Form mitAs can be seen from Fig. 2 and 3, a blocking body 10 is inserted into the built-in part 6, which expediently consists of a section 9 of the same pipe as the outlet pipe 5 and reaction pipe 7, which, when viewed in the longitudinal section of the pipe, has the shape shown in Fig. 2 with

oberwasserseitiger Abrundung 11 aufweist und, wie insbesondere Fig. 3 erkennen lässt, den oberen Bereich des Rohrquerschnitts mit horizontaler Unterkante 12 ausfüllt. Der Sperrkörper 10 ist von einem Querschlitz 13 durchsetzt, der in das Belüftungsrohr 8 mündet.upstream rounding 11 and, as can be seen in particular in Fig. 3, fills the upper area of the pipe cross-section with a horizontal lower edge 12. The blocking body 10 is penetrated by a transverse slot 13 which opens into the ventilation pipe 8.

Im Betrieb muss das Auslaufrohr 5 so lang sein, dass sich in dem Bereich vor der durch den Sperrkörper 10 bewirkten Verengung eine stationäre einphasige Strömung einstellt, die durch einen Pfeil 14 angedeutet ist. Der Druck in dieser Strömung beträgt p. Infolge der durch den Sperrkörper 10 bewirkten Verengung des Strömungsquerschnitts wird gemäß der Bemoullischen Gleichung eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, die zu einem an dieser Stelle verminderten Strömungsdruck pmin führt. Wenn dieser Strömungsdruck p_mj_n kleiner ist als der atmosphärische Luftdruck po in der Umgebung, wird durch das Belüftungsrohr 8 und den Schlitz 13 selbsttätig ein Luftvolumen V_L angesaugt, das sich der Einphasenströmung 14 beimischt und zu einer Zweiphasenströmung (Pfeil 15) in dem anschließenden Reaktionsrohr 7 führt.During operation, the outlet pipe 5 must be long enough that a stationary single-phase flow, indicated by an arrow 14, occurs in the area before the constriction caused by the blocking body 10. The pressure in this flow is p. As a result of the constriction of the flow cross-section caused by the blocking body 10, an increase in the flow velocity is generated according to the Bemoulli equation, which leads to a reduced flow pressure pmin at this point. If this flow pressure p _m j _n is smaller than the atmospheric air pressure po in the environment, an air volume V _L is automatically sucked in through the ventilation pipe 8 and the slot 13, which mixes with the single-phase flow 14 and leads to a two-phase flow (arrow 15) in the subsequent reaction tube 7.

Damit sich in dem Auslaufrohr 5 vor der Verengung durch den Sperrkörper 10 eine stationäre Rohrströmung einstellen kann, sollte dessen Länge mindestens das etwa 0,5- bis 1-fache des Rohrdurchmessers D betragen. Da der beabsichtigte Effekt der Luftansaugung nur dann erreicht wird, wenn der Flüssigkeitsstrom so groß ist, dass der gesamte Querschnitt auch am Ende des Reaktionsrohres 7 noch vollständig ausgefüllt ist, ist es zweckmäßig, das Reaktionsrohr 7 um den Winkel &agr; steigend zu verlegen. Der Winkel &agr; kann etwa 2° betragen, ist die Länge des Reaktionsrohrs 7 größer als etwa das 20-fache des Rohrdurchmessers D, dann kann auf diese steigende Verlegung unter Umständen verzichtet werden. Bei steigender Verlegung des Reaktionsrohres 7 ist darauf zu achten, dass der Trockenwetterabfluss sichergestellt wird; dies kann dadurch erreicht werden, dass im Sohlbereich des Reaktionsrohres eine mit üblichem Gefälle verlaufende Trockenwetterrinne 16 angeordnet wird.In order to ensure that a stationary pipe flow can be established in the outlet pipe 5 before it is narrowed by the blocking body 10, its length should be at least about 0.5 to 1 times the pipe diameter D. Since the intended effect of air intake is only achieved if the liquid flow is so large that the entire cross-section is still completely filled at the end of the reaction pipe 7, it is advisable to lay the reaction pipe 7 so that it rises by the angle α. The angle α can be about 2°; if the length of the reaction pipe 7 is greater than about 20 times the pipe diameter D, then this rising installation can be dispensed with under certain circumstances. If the reaction pipe 7 is laid so that it rises, care must be taken to ensure that dry weather drainage is ensured; this can be achieved by arranging a dry weather channel 16 with a normal gradient in the bottom area of the reaction pipe.

In dem Diagramm gemäß Fig. 4 sind das Durchflussverhalten Q [l/s] und das Luftansaugverhalten V_L [l/min] der erfindungsgemäßen Einrichtung insgesamt in Abhängigkeit von der Füllhöhe H [m] im Flüssigkeitsbehälter 1 und der Nennweite DN von Auslauf- und Reaktionsrohr 5, 7 dargestellt. Das Diagramm gemäß Fig. 5 zeigt zusätzlich ebenfalls in Abhängigkeit von der Füllhöhe H die Reduzierung der Durchflussmenge Q infolge der Luftbeimischung. Dabei entsprechen die gestrichelt dargestellten Kurven der einphasigen Strömung 14 und die ausgezogen dargestellten Kurven der zweiphasigen Strömung 15; die Reduzierung ist durch Pfeile angedeutet.In the diagram according to Fig. 4, the flow behavior Q [l/s] and the air intake behavior V _L [l/min] of the device according to the invention are shown as a whole as a function of the filling level H [m] in the liquid container 1 and the nominal width DN of the outlet and reaction pipes 5, 7. The diagram according to Fig. 5 also shows the reduction in the flow rate Q as a result of the addition of air, also as a function of the filling level H. The dashed curves correspond to the single-phase flow 14 and the solid curves to the two-phase flow 15; the reduction is indicated by arrows.

In beiden Diagrammen, denen Versuchsanordnungen zugrundeliegen, ist von einem Verhältnis von Länge L zu Durchmesser D des Reaktionsrohres von 20, einem Verhältnis &egr; der Querschnittsreduzierung durch die Verengung von 0,5 und einem Steigungswinkel &agr; des Reaktionsrohres von 2° ausgegangen worden. Hierin bedeuten &egr; = 0 eine totale Versperrung des Querschnitts und &egr; = 1 keine VersperrungIn both diagrams, which are based on test arrangements, a ratio of length L to diameter D of the reaction tube of 20, a ratio ε of the cross-section reduction due to the constriction of 0.5 and a pitch angle α of the reaction tube of 2° were assumed. Here, ε = 0 means a total blockage of the cross-section and ε = 1 means no blockage.

Claims

1. Arrangement for limiting the flow through the outlet of a liquid container, for example a rainwater retention basin or the like, depending on the height of the liquid level, characterized by the following features:

a) the outlet comprises an outlet pipe ( 5 ) through which the liquid flows in single-phase stationary flow with the pressure p,

b) the cross-section of the outlet pipe ( 5 ) has a constriction at one point, which leads to an increase in the flow velocity at this point,

(c) the constriction is dimensioned such that the pressure drop resulting from the increase in flow velocity leads to a flow pressure p _min which is lower than the atmospheric pressure p ₀ ,

d) in the area of the constriction, a ventilation line ( 8 ) opens through which air is sucked in and mixed with the flowing liquid according to the pressure difference between the flow pressure p _min and the air pressure p ₀ , which

e) flows out in a reaction tube ( 7 ) connected to the outlet pipe ( 5 ) in two-phase stationary flow.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the constriction is arranged only in the upper part of the cross section of the outlet pipe ( 5 ).

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the constriction is designed in the form of a blocking body ( 10 ) partially filling the pipe cross-section.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the blocking body ( 10 ) is rounded on the upstream side.

5. Arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the ventilation line ( 8 ) passes through the blocking body ( 10 ).

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the ventilation line ( 8 ) passes through the blocking body ( 10 ) in a transverse slot ( 13 ).

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reaction tube ( 7 ) adjoining the outlet pipe ( 5 ) is laid with a gradient by the angle α.

8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the reaction tube ( 7 ) has a channel for dry weather drainage with a usual gradient at the bottom.

9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the length of the reaction tube ( 7 ) is at least about 20 times its diameter D.

10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the outlet pipe ( 5 ) and the reaction tube ( 7 ) have the same cross-section.