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Die Erfindung bezieht sich auf Injektorpumpen und kann zur Förderung von flüssigen Abfällen vorwiegend in mobilen Toiletten von Eisenbahntransportmitteln eingesetzt werden.
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Es ist ein Unterdruck-Toilettensystem EVAC-2000P für Eisenbahntransportmittel der Firma ”Pillor-EVAC” bekannt, das einen in Verbindung mit einem Sammelbehälter stehenden Abortbecken aufweist und ein Förderverfahren für fäkale Abwässer mit der Ausnutzung einer Unterdruckabsaugleitung realisiert. Zur Unterdruckerzeugung kann eine Unterdruckpumpe oder ein an der Borddruckluftanlage (
RU2138600 C1 , Avac Ejektor AB, 27.09.1999) angeschlossener Ejektor verwendet werden. Als Nachteile dieses Systems werden die erhöhte Empfindlichkeit gegen die in das Abortbecken gelangende Fremdkörper und die Notwendigkeit der Unterdruckerzeugung in den Behälterzuleitungen angesehen.
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Beschrieben ist auch ein Kanalisationssystem für Förderanlagen mit einer Injektorpumpe, bei der der Sammelbehälter keine permanente Unterdruckerzeugung erfordert und unter Atmosphärendruck steht (
US5873135 , EVAC AB; Tornqvist, 23.02.1999). Die Injektorpumpe, deren Aufbau in
7 der erwähnten Patentschrift gezeigt ist, stellt eine in die Förderleitung eingebaute achsensymmetrische Konstruktion dar, die einen Eintrittsdruckstutzen und einen Austrittsdruckstutzen aufweist. Die Druckstutzen sind mit einem Spalt angeordnet und bilden eine Mischkammer. Das Treibmedium (Druckluft) wird in den Spalt durch die radial und geneigt in Bezug auf die Strömungsrichtung angeordneten Düsen gefördert, wodurch in der Mischkammer ein Unterdruck entsteht, der die Absaugung des Abfallmaterials und seine Förderung durch die Abfallleitung in den Sammelbehälter bewirkt.
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Es ist eine Pumpenkonstruktion gemäß der Patentschrift
RU2247873 C2 , Chawkin u. a., 10.03.2005 bekannt. Die Pumpe umfasst ein Gehäuse, einen mit dem Gehäuse in Verbindung stehenden Eintrittsstutzen für die Zuleitung des Treibmediums, einen Zulaufstutzen für das Saugmedium, eine in Verbindung mit dem Eintrittsstutzen für die Zuführung des Treibmediums stehende Ringdüse, einen in Verbindung mit der Mischkammer stehenden Diffusor und eine Rohrleitung zur Abführung des Treib- und Saugmediengemisches. Der Innendurchmesser des Eintrittsstutzens für die Zuleitung des Treibmediums beträgt 0,15–0,32 des Innendurchmessers der Rohrleitung zur Abführung des Treib- und Saugmediengemisches, die Mischkammerlänge ist 3 bis 6 Mal größer als der Arbeitsquerschnitt der Ringdüse.
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Im Falle der Förderung von flüssigen Medien mit heterogener Zusammensetzung, bei denen die Abmessungen einzelner Einschlüsse wesentlich größer sein können als der Durchflussquerschnitt von Rohrleitungen (und der Injektorpumpe), sind Verschmutzungen und ein Versagen der Pumpe möglich.
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Bei Rohrleitungen mit einem Querschnitt von 40–60 mm treten beim Einsatz einer Injektorpumpe als Fördermittel Probleme mit Fremdkörpern auf, deren Abmessungen in einem verwickelten und feuchtigkeitsgesättigten Zustand den freien Querschnitt bzw. den Rohrdurchmesser überschreiten. Wenn ein länglicher Körper, z. B. ein Stofflappen, der im ausgebreiteten Zustand einen geringen Querschnitt hat, noch durch die Strömung mitgenommen und zusammen mit ihr durch die Abfallleitung zum Sammelbehälter gefördert werden kann, so ist diese Möglichkeit für einen Knäuel aus dem obenerwähnten Stofflappen schon problematisch, da er je nach Abmessung im Grunde einen Pfropfen für das System darstellt.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit der Beförderung von voluminösen und länglichen Gegenständen gegeben, zum Beispiel von textilen und ähnlichen Materialien in einem Flüssigkeitsstrom, ohne dass die Abfallrohrleitungen dabei eingeschlämmt werden. Dieser Effekt wird durch die Besonderheiten der konstruktiven Ausführung der Injektorpumpe erreicht, die nicht nur die Erzeugung eines großen spezifischen Unterdruckes pro Flächeneinheit durch das Treibmedium, sondern auch ein Verdrehen des Abfallmaterialstromes ermöglicht. Im Ergebnis wird einem Fremdkörper neben einem großen Saugimpuls auch ein Drall beim Durchgang vermittelt, die Feuchtigkeit wird ausgepresst, entsprechend verringert sich sein freier Querschnitt, was die Förderung der Fremdkörper durch die Mitnahme durch die Strömung erleichtert. Darüber hinaus ist zu bemerken, dass ein Fremdkörper beim Durchgang durch ein Kraftfeld mit Drallwirkung sich an der Pumpenachse orientiert und dadurch zentriert wird, was zur Verringerung seiner Reibung an den Rohrwänden und damit zum erfolgreichen Transport in den Sammelbehälter beiträgt. Darüber hinaus bewirkt der zwangsweise erzeugte Drall des Mediums in Verbindung mit einer hohen Saugwirkung eine Selbstreinigung der Rohre und verhindert damit das Versagen des Fördersystems als Ganzes.
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Die zum Patent angemeldete Injektorpumpe zur Förderung von heterogenen Medien weist einen Eintritts- und einen Austrittsrohrstutzen auf, sowie einen im Pumpengehäuse angeordneten Stutzen zur Zuführung des Treibmediums, wobei der Eintritts- und der Austrittsrohrstutzen in einem zylindrischen Gehäuse so angeordnet sind, dass ein Ringspalt in der Achsrichtung und eine Druckkammer in der Radialrichtung entstehen.
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Die Injektorpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass sie zusätzlich einen in der Druckkammer auf dem Zuführungsrohrstutzen angeordneten Drallkörper für das Treibmedium enthält, der in Form einer Hülse ausgeführt ist, auf deren Außenfläche durchgehende spiralförmige und zu den Hülsenstirnseiten hin offene Kanäle vorhanden sind. Der Austrittsstutzen ist in Form einer Lavaldüse ausgeführt, die einen Konfusor- und einen Diffusorteil mit geradlinigen Erzeugenden aufweist. Der Konfusorteil ist im Gehäuse auf einem Gewindestück angeordnet, das eine Verstellung entlang der Achse im Ringspalt ermöglicht. Der Öffnungswinkel des Konfusorteils beträgt α1 = 55–65°, das Verhältnis der Konfusorteillänge LC zur Diffusorteillänge LD in der Achsrichtung beträgt LC/LD = 0,22–1,1, und das Verhältnis des Innendurchmessers d2 Austrittsstutzenendteils zum Innendurchmesser d1 des Eintrittsstutzenendteils beträgt d2/d1 = 1,0–1,5.
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Die Einrichtung kann sich dadurch kennzeichnen, dass die durchgehenden spiralförmigen Kanäle unter einem Winkel von 15–60° zur Längsachse angeordnet sind.
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Die Einrichtung kann sich auch dadurch kennzeichnen, dass der Innendurchmesser d1 des Eintrittsstutzens d1 = (1,0–1,3) dk beträgt, wobei dk – der Durchmesser des engsten Querschnitts der Lavaldüse des Austrittsstutzens ist, und dass das Endteil des Austrittsstutzens mit einem Flansch versehen ist.
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Das technische Ergebnis besteht in der Vereinfachung der Beförderung von flüssigen haushalts- und fäkalen Abfallströmen durch die Selbstzentrierung des aus potentiell einschlämmungsgefährdeten Festkörpern und Gegenständen aus textilen und ähnlichen Materialien bestehenden Injektorpumpentraktes entlang seiner Längsachse aufgrund ihrer mechanischen Verwindung in den Fällen, wenn ihre Abmessungen größer als der freie Querschnitt des Eintrittsstutzens sind. Darüber hinaus wird die Erhöhung der Saugwirkung der Injektorpumpe gewährleistet.
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Bei Kanalisationsrohren mit einem Durchmesser von 40–60 mm stellen bei der Förderung mit einer Injektorpumpe die Gegenstände Probleme dar, deren Abmessungen in einem verwickelten und feuchtigkeitsgesättigten Zustand größer sind als der freie Rohrquerschnitt bzw. der Rohrdurchmesser. Wenn ein länglicher Gegenstand zum Beispiel ein Stofflappen ist, der in seinem ausgebreiteten Zustand einen geringen Querschnitt hat, durch den Abfallstrom mitgenommen und zusammen mit ihm über eine Abfallleitung zum Sammelbehälter gebracht werden kann, so stellt diese Möglichkeit für den gleichen Stoffknäuel, zum Beispiel für eine mit Abfallströmen getränkte Bindenrolle, ein Problem dar, da dieser Stoffknäuel je nach seinen Abmessungen im Grunde ein Pfropfen für dieses System ist. Die Anmelder weisen erstmalig auf die Möglichkeit hin, voluminöse und längliche Erzeugnisse aus textilen und ähnlichen Materialien im Kanalisationsstrom zu befördern, ohne eine Einschlämmung von Rohrleitungen zu verursachen. Dies wird durch die Besonderheiten der konstruktiven Ausführung der Injektorpumpe erreicht, dank denen nicht nur ein höherer spezifischer Druck der Treibluft und damit ein höheres Vakuum in der Mischkammer erreicht wird, sondern auch eine Drallerzeugung im Abfallstrom. Im Ergebnis dessen wird dem Erzeugnis beim Passieren der Mischkammer nicht nur ein hoher Saugimpuls, sondern auch ein Drall vermittelt, die Feuchtigkeit wird aus ihm herausgepresst, sein Querschnitt wird entsprechend dem freien Querschnitt verringert, und er lässt sich zusammen mit dem Abfallstrom ohne Schwierigkeiten zum Sammelbehälter leiten. Es ist zu bemerken, dass ein Gegenstand beim Passieren eines Drallkraftfeldes sich an der Pumpenachse orientiert, er wird zentriert, damit wird auch seine Reibung an den Wänden reduziert, was zu seiner erfolgreichen Leitung zum Sammelbehälter beiträgt. Darüber hinaus trägt die aufgezwungene Verdrehung des Mediums zusammen mit der Erhöhung der Saugwirkung zusätzlich zur Selbstreinigung von Kanalisationsrohren bei und verhindert damit Funktionsstörungen des ganzen Toilettensystems.
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Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend anhand von Zeichnungen erläutert. 1 zeigt die Konstruktion der Einrichtung im Längsschnitt; 2 – das gleiche im Schnitt A-A; 3 – eine Konstruktionsvariante mit einem auf dem verlängerten Austrittsstutzen angeordneten Flansch; 4 – eine weitere Ausführungsvariante mit der Befestigung des Eintrittsstutzens im Gehäuse; 5 – eine Ausführung des Drallkörpers.
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Die Injektorpumpe umfasst einen Profilrohr-Eintrittsstutzen 1 und einen Profilrohr-Austrittsstutzen 2, die auf einer gemeinsamen Achse O-O im Gehäuse 3 (siehe 1–3) angeordnet sind. Der Eintrittsstutzen 1 weist einen Eintrittsteil 11, einen zylindrischen Teil 12 und das zugespitzte Endteil 13 auf, der eine Düse 14 bildet.
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Zwischen der Außenfläche 12 des Eintrittsstutzens 1 und der Innenfläche des Gehäuses 3 befindet sich eine ringförmige Druckkammer 4, in der ein Drallkörper 5 angeordnet ist. Die Druckkammer 4 ist mit einem auf dem Gehäuse 3 angeordneten Stutzen 31 für die Zuführung des Treibmediums verbunden. Der Austrittsstutzen 2 in Form einer Lavaldüse weist einen Konfusorteil 21 und einen Diffusorteil 22 mit dem Halsdurchmesser dk auf. Der Austrittsstutzen 2 an der Seite des Konfusorteils 21 ist im Gehäuse 3 auf einem Gewinde angeordnet und kann in der Achsrichtung zur Einstellung des Arbeitsspaltes h zwischen der Düse 14 und dem Diffusorteil 21 verstellt werden. Der Innendurchmesser d1 des Eintrittsstutzens ist annähernd gleich dem Halsdurchmesser d1 = (1,0–1,3) dk.
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Der Öffnungswinkel des Konfusorteils 21 befindet sich im Bereich α1 = 55–65°, der Öffnungswinkel α2 des Diffusorteils 22 wird durch den Innendurchmesser des Austrittsstutzens 2 und die vorgegebene Gesamtlänge der Injektorpumpe bestimmt und überschreitet nicht 30° (vorzugsweise 10–20°).
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Das Verhältnis der Konfusorteillänge LC zur Diffusorteillänge LD in der Achsrichtung O-O beträgt LC/LD = 0,9–1,1. Die Befestigung der Austrittsstutzens 2 kann in einer beliebigen bekannten Weise ausgeführt werden, zum Beispiel mit Hilfe eines Flansches 33 (bedingt gezeigt), der am Gehäuse 3 über Gewindebohrungen 24 angeschraubt wird. Mit dem gleichen Flansch kann auch die Austrittsleitung befestigt werden.
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Das Verhältnis des Innendurchmessers d2 des Austrittsstutzens 2 (am Ende des Diffusorteils 22) zum Innendurchmesser d1 des Eintrittsstutzens 1 beträgt d2/d1 = 1,0–1,5. Der Spalt h zwischen der Düse 13 und dem Konfusorteil 21 beträgt h = 0,2–10 mm und wird in Abhängigkeit von dem Arbeitsdruck des Treibmediums gewählt, das durch den Stutzen 31 in die Druckkammer 4 gefördert wird.
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In 3 ist eine Variante der Konstruktion einer Injektorpumpe mit einem Flansch 25 gezeigt, der auf dem verlängerten Austrittsstutzen 2 der Lavaldüse angeordnet ist Der Flansch 25 ist zum Anschluss der Ausgangsleitung bestimmt und kann unmittelbar am Ende des Austrittsstutzens 2 angeschweißt werden. Die Öffnung des Konfusorteils 21 in dieser Ausführungsvariante beträgt α 1 = 55–65°, und die Öffnung des Diffusorteils beträgt α2 = 10–20°. Das Verhältnis der Konfusorteillänge LC zur Diffusorteillänge LD in der Achsrichtung O-O beträgt LC/LD = 0,22–0,26. Wenn die Injektorpumpe zusammen mit einer selbsttätigen Steuerung eingesetzt wird und der Unterdruck am Pumpeneingang gemessen werden soll, so kann man für diesen Zweck einen Druckgeber (nicht gezeigt) einsetzen, der in einer Bohrung 16 im Stutzenkörper 1 befestigt wird.
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4 zeigt eine Ausführungsvariante für die Befestigung des Eintrittsstutzens 1 im Gehäuse 3. Der Stutzen 1 wird im Gehäuse 3 mit Hilfe des Gewindestücks 17 angeordnet und mit einer Hülse 18 versehen, die mit einem angeschweißten Ring mit Löchern 19 befestigt wird. Die Lage des Stutzens 1 im Gehäuse 3 wird durch eine Kontermutter 191 gesichert. Für die Befestigung des Druckgebers in der Bohrung 16 ist es eine Gewindehülse 161 vorhanden.
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5 zeigt die Außenfläche des Drallkörpers 5. Der Drallkörper ist in Form einer Hülse 51 ausgeführt, auf deren Außenfläche spiralförmige durchgehende Kanäle 52 vorgesehen sind. Der Zeiger 53 zeigt bedingt die Strömungsrichtung des Treibmediums an, das durch einen der Kanäle 52 gestaltet wird, der in der Beobachtungsebene unter dem Winkel β zur Längsachse der Hülse 51 liegt. Der Winkel β kann von 45 bis 75° betragen. Je größer das Verhältnis des Außendurchmessers der Drallkörperhülse 51 zu deren Innendurchmesser ist, welcher an ihrem Aufstellungsort mit dem Außendurchmesser 1 des Eintrittsstutzens übereinstimmt, desto höher ist die Drallwirkung auf den Strom.
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Die Injektorpumpe funktioniert bei der Förderung eines Stromes heterogener Medien wie folgt. Beim Einleiten des Treibmediums (der Druckluft) in den Stutzen 31, wird der Strom in die Ringkammer 4 und über spiralförmige durchgehende Kanäle 52 des Hülsenkörpers 51 mit Drall in den Ringspalt mit der Größe h gefördert. Der Ringspalt wird, wie erwähnt, zwischen der Wand des Konfusorteils 21 des Austrittsstutzens 2 und dem zugespitzten Ende 13 des Eintrittsstutzens 1 gebildet, das die Düse 14 bildet. Die optimale Größe h des Ringspaltes wird bei der Einstellung der Injektorpumpe durch die Verstellung des Eintrittsstutzens 1 im Gewinde 17 und/oder des Austrittsstutzens 2 im Gewinde 23 bestimmt. Am Austritt aus der Ringdüse 14 im Düsenhalsbereich (gezeigt ist die Größe dk) und weiter im Diffusor erfolgt die Mischung des geförderten heterogenen Saumediums mit dem Treibmedium. Der infolge von bekannten Eigenschaften der Lavaldüse hierbei entstehende Unterdruck sichert das Ansaugen und Weiterförderung des heterogenen Saugmediums in Richtung zum Diffusorende des Austrittsstutzens 2.
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Treten im Strom von heterogenen fäkalen Abwässern zufällig unvorhersehbare Elemente auf, deren Struktur sich von der Struktur gewöhnlicher Fäkalien unterscheidet, insbesondere Körperpflegemittel, einzelne Kleidungsstücke und Pflegemittel vorwiegend aus faserigen und/oder textilen Materialen, deren kleinste Abmessungen größer sind als der Durchmesser des Eintrittstutzens, erfolgt ihre Verwindung. Der freie Querschnitt des Elementes bzw. der Elemente verringert sich entsprechend, und die Elemente werden zusammen mit dem Abfallstrom ohne weiteres in den Sammelbehälter gefördert.
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Versuche haben bestätigt, dass ein sich in einem heterogenen Flüssigkeitsstrom befindlicher Fremdkörper beim Durchströmen eines Kraftfeldes mit Drallwirkung in Richtung zur Injektorpumpenachse orientiert wird. Das trägt nicht nur zu seiner effektiven Förderung bei, sondern bringt die Wirkung einer mechanischen bzw. hydrodynamischen Reinigung bei Einschlämmungen dieses Systems als Ganzes mit sich. Beim Modellieren der Förderprozesse von flüssigen Medien, die mit Fremdkörpern aus Faserstoffen behaftet sind, deren Abmessungen in einem verwickelten Zustand größer sind als der Durchmesser des Eintrittsstutzens 1, hat sich gezeigt, dass bei der Beaufschlagung des Stutzens 31 mit der Druckluft von 6 atm die Fremdkörper aus dem Austrittsstutzen auf eine Entfernung von bis zu 10 m und weiter „herausgeschossen” werden. Diese Tatsache bezeugt die hohe Effektivität einer Injektorpumpe in einem Fördersystem.
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Wie die obenbeschriebenen und andere Versuche zeigten, erleichtert die zum Patent angemeldete Konstruktion der Injektorpumpe eine gemeinsame Förderung von heterogenen Medien in Form von voluminösen und länglichen Gegenständen aus textilen und ähnlichen Materialien im Strom von flüssigen Haushalts- und fäkalen Abfällen, ohne dass die Förderleitungen eingeschlämmt werden. Dieses technische Ergebnis wird durch die Selbstzentrierung von zur Einschlämmung neigenden festen Fremdkörpern und von Fremdkörpern aus textilen und ähnlichen Materialien um die Längsachse des Injektorpumpentraktes erreicht, deren Abmessungen größer sind als der freie Querschnitt des Eintrittsstutzens. Darüber hinaus wird eine höhere Saugwirkung erreicht.