СПОСОБ АЭРАЦИИ ГЛУБИННЫХ ВОД ВОДОЕМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C02F7/00 A01K61/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, мелиорации земель и водоемов при охране и восстановлении биоресурсов в них.

Известен способ аэрации глубинных вод водоемов посредством подачи их на поверхность водоема за счет преобразования энергии волн на его поверхности в работу по перемещению объема воды в рабочем трубопроводе [1]
Недостатком известного способа аэрации является его малая производительность и неэффективность обменных процессов в глубинных горизонтах водоема.

Известен также более близкий к предложенному способ аэрации глубинных вод водоемов посредством подачи поверхностных насыщенных кислородом воздуха вод в глубину водоема за счет преобразования энергии волн на его поверхности [2]
Недостатком способа-прототипа является также его малая производительность и малая эффективность обменных процессов в глубинных горизонтах водоема.

Известно устройство аэрации глубинных вод водоемов, содержащее понтон-поплавок, вертикальный трубопровод с сильфонным патрубком и теплообменник [1]
Недостатком известного устройства является его малая производительность и недостаточная надежность.

Известно также более близкое к предложенному устройство для аэрации глубинных вод водоемов, содержащее понтон-поплавок и вертикальный трубопровод с водопропускными каналами и обратными клапанами [2]
Недостатками устройства-прототипа для аэрации глубинных вод водоемов являются его малая производительность, недостаточная надежность и долговечность.

Целью предлагаемого способа является повышение эффективности аэрации и обменных процессов как в поверхностных, так и в глубинных горизонтах водоемов.

Для достижения указанной цели в известном способе аэрации глубинных вод водоемов, когда насыщенные кислородом воздуха поверхностные воды подают в глубину водоема посредством преобразования энергии волн на его поверхности в работу по перемещению объемов воды в рабочем трубопроводе, согласно изобретению на поверхность водоема дополнительно подают с ускорением за счет газлифт-эффекта выделяющихся из них газов и насадок специального профиля глубинные воды и нагревают и дегазируют их за счет теплоты поверхностных вод; при этом поверхностные воды закручивают и транспортируют в глубину водоема также с ускорением за счет специальных направляющих и насадка определенного профиля.

Таким образом, сущность способа аэрации глубинных вод водоемов состоит в том, что поверхностные воды завихряют и одновременно с подачей их в глубину водоема на его поверхность также с ускорением подают глубинные воды предпочтительно в фонтанирующем режиме за счет газлифт-эффекта, создаваемого выделяющимися из них газами, например азотом и другими компонентами воздуха, и насадок определенного профиля. При этом осуществляют нагрев глубинных вод за счет теплоты поверхностных вод практически в трех зонах теплообмена: в транспортирующем трубопроводе, в его выходном насадке и в поверхностном теплообменнике.

Целью заявленного устройства является повышение его производительности, надежности и долговечности.

Эта цель достигается в результате того, что известное устройство для аэрации глубинных вод водоемов, содержащее понтон-поплавок и вертикальный наружный трубопровод с обратным клапаном, согласно изобретению снабжено поверхностным теплообменником и внутренним трубопроводом, располагаемыми коаксиально, и на входы указанных трубопроводов установлены коноидальные насадки, а на выход внутреннего трубопровода конический сходящийся насадок.

Причем поверхностный теплообменник выполнен открытым в виде усеченного конуса основанием вниз с концевой цилиндроконической обечайкой, прикрепленной к его большему основанию и образующей верхний и нижний его резервуары соответственно для глубинной воды и водовоздушной эмульсии, и снабжен набором кольцевых перегородок в верхнем резервуаре, установленных концентрично, и набором радиальных перегородок в его нижнем резервуаре в виде криволинейного оребрения, посредством которого теплообменник опирается непосредственно на понтон-поплавок. Кроме того, кольцевые перегородки в верхнем резервуаре образуют не менее двух отсеков, и первая от центра перегородка имеет регулируемый в горизонтальной плоскости переливной порог, а следующая установлена с возможностью перемещения по вертикали. При этом переливной порог и верхний край обечайки теплообменника выполнены в виде зубчатого венца.

Кроме того, нижний торец основной трубы расположен выше на расстоянии, составляющем не менее пяти ее диаметров, от нижнего торца дополнительной трубы. Причем в кольцевом зазоре между наружным и внутренним трубопроводами размещены направляющие аппараты, обеспечивающие закручивание потока водовоздушной эмульсии как на входе в кольцевой зазор, так и на выходе из него, и надежную связь между трудами. Как правило, в местах размещения направляющих аппаратов располагают и пояса креплений устройства к грунту.

Кроме того, обратный клапан размещен у нижнего торца наружной трубы с возможностью его вертикального возвратно-поступательного перемещения, т.е. с зазором по отношению к внутренней трубе как направляющей. Ход обратного клапана регулируется, как правило, ограничителями, например тросами определенных размеров.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства, разрез; на фиг. 2 разрез I - I на фиг.1; на фиг. 3 узел устройства А; на фиг. 4 узел устройства В; на фиг. 5 разрез устройства III III; на фиг. 6 разрез устройства II II.

Устройство для аэрации глубинных вод водоемов состоит из коаксиально расположенных наружного 1 и внутреннего 2 трубопроводов; системы обеспечения положительной плавучести, состоящей из понтона-поплавка 3 с дополнительным поплавком 4 и набора съемного балласта 5 и тросов 6; нижнего и верхнего крепежных поясов 7 и 8 для установки устройства в конкретном месте акватории с заданной глубинной погружения; а также поверхностного оребренного теплообменника в форме усеченного конуса 9, концевая цилиндроконическая обечайка 10 которого образует за счет кольцевых перегородок 11 и 12 верхний и за счет радиально-криволинейных перегородок 13 нижний секционированные резервуары (камеры) соответственно для глубинной воды и водовоздушной эмульсии. При этом рабочие трубопроводы 1 и 2 снабжены на их входах коноидальными насадками 14 и 15, а на выходе из основной трубы 1 - направляющим аппаратом 16 с герметизирующей системой в виде обратного клапана 17 с обтюратором 18 и ограничителем хода клапана 19, а на выходе из дополнительной рабочей трубы 2 коническим сходящимся насадком (стволом) 20; кроме того, нижний торец наружного трубопровода 1 расположен выше на расстоянии, составляющем не менее пяти его диаметров, от нижнего торца внутреннего трубопровода 2.

Направляющие аппараты 16 и 21 обеспечивают заданный рабочий зазор между рабочими трубопроводами 1 и 2, а также создают необходимую жесткость системы в местах размещения крепежных поясов 7 и 8; радиально-криволинейные оребрение 13 также обеспечивает заданный рабочий зазор между понтоном-поплавком 3 и теплообменником 9 и создает необходимую жесткость устройства в зоне больших механических нагрузок как со стороны гидравлических ударов фонтанирующих струй глубинной воды в системе апвеллинга, так и со стороны поверхностных волн в водоеме. В качестве вспомогательных блоков устройство для аэрации глубинных вод водоемов снабжено ограждением 22, системой звуковой и световой сигнализации 23, ее энергетического обеспечения (на чертежах не показано) и дополнительным креплением теплообменника 9 к поплавку 24. Верхний край обечайки 10 теплообменника 9 и горизонтальный регулируемый порог первой от центра устройства перегородки 11 выполнены в виде зубчатого венца.

Устройство аэрации глубинных вод водоемов работает следующим образом.

С помощью тросов 6, балласта 5 и системы крепления 8, 8 и 24 устройство для аэрации глубинных вод в водоемах устанавливают вертикально в конкретной точке акватории таким образом, чтобы верхняя кромка входного коноидального насадка 14 была расположена на уровне ватерлинии теплообменника 9 или ниже ее на высоту ребер-перегородок 13; при этом понтон-поплавок 3, дополнительный поплавок 4 и теплообменник 9 обеспечивают всей системе положительную плавучесть.

Как всякая волновая система предложенное устройство аэрации глубинных вод водоемов имеет четыре фазы работы.

При волнении на поверхности водоема, когда, например, устройство оказывается на вершине волны, водовоздушная эмульсия, образовавшаяся в результате первичного вращения поверхностной воды и воздуха в системе направляюще-крепежных перегородок 13, поступает через коноидальный насадок 14 в основной рабочий трубопровод 1.

1. Коноидальный насадок, как известно из курса гидравлики, имеет форму вытекающей из него струи жидкости, поэтому гидравлическое сопротивление в нем будет минимальным, а коэффициент расхода наибольший из всех типов известных насадок. Поэтому водовоздушная эмульсия движется в насадке 14 и трубопроводе 1 с ускорением, что способствует механическом вовлечению воздуха в объем потока жидкости и сообщению этому потоку существенного динамического напора, позволяющего ему преодолевать гидравлические сопротивления направляющих аппаратов 16 и 21, обратного клапана 17 и по законам истечения двухфазной среды из затопленного отверстия вытекать в глубинные слои водоема, осуществляя т. н. процесс даунвеллинга. При этом происходит разбавление глубинных вод водоема и насыщение их воздухом, поступившим с поверхностными водами, в результате чего может быть осуществлен процесс нейтрализации продуктов метаболизма, например, сероводорода с образованием безвредных веществ, которые, в свою очередь, могут быть включены в трофическую цепь
2H₂S_(p)+O_2(p) _→ 2H₂O_(ж)+2S_(т).

Одновременно с этим происходит переливание ранее излившейся глубинной воды через систему кольцевых перегородок 11 и 12 в верхнем отсеке теплообменника 9 и далее через зубчатый венец его цилиндро-конической обечайки 10 в водоем; при этом глубинная вода прогревается за счет теплоты поверхностных вод и насыщается кислородом воздуха, что существенно ускоряет тепло- и массообменные процессы в системе апвеллинга.

По мере "соскальзывания" устройства с вершины волны к ее подошве происходит закрывание торца наружного трубопровода 1 обратным клапаном 17 с обтюратором 18 и заполнение коноидального насадка 14 через нижний отсек теплообменника 9 водой и воздухом с вращением их в системе радиально-криволинейного оребрения 13, в результате чего здесь образуется стойкая водовоздушная эмульсия. Охлаждение поверхностных вод в нижнем отсеке теплообменника 9 существенно стабилизирует эмульсию. Одновременно с этим происходит заполнение внутреннего трубопровода 2 глубинной водой через коноидальный насадок 15 с ускорением за счет его специфических гидродинамических характеристик, рассмотренных ранее.

Когда устройство для аэрации глубинных вод оказывается между вершинами волн на поверхности водоема, т.е. в их впадине (у подошвы волн), то нижний отсек теплообменника 9, входные коноидальные насадки 14 и 15 и собственно трубопроводы 1 и 2 будут полностью заполнены водой ("случай заполнения" трубопроводов); причем трубопровод 1 водовоздушной эмульсией, как правило, в турбулентном режиме в результате закручивания ее в системе радиально-криволинейных перегородок 13 и направляющих аппаратов 16 и 21 и под избыточным давлением, равным гидростатическому давлению воды в волнах водоема и динамическому давлению потока в трубопроводе 1, а в трубопроводе 2 - глубинной водой, движущейся с ускорением в результате специфических гидродинамических характеристик насадок 15 и 20. В этот период работы устройства поток поверхностных вод в основном трубопроводе 1 содержит максимально возможное количество воздуха как в растворенном, так и в механически вовлеченном состояниях; при этом вся система трубопровода 1 и теплообменника 9 герметизирована: сверху цилиндро-конической обечайкой 10, а снизу полностью закрытым обратным клапаном 17; охлаждение поверхностных вод в теплообменнике 9 и в системе рабочих трубопроводов 1 и 2 (трубопроводы 1 и 2 также выполняют функцию теплообменника типа "труба в трубе") стабилизирует эмульсию вода-воздух и обеспечивает повышенную абсорбционную емкость потока поверхностных вод. При этом прогретая в трубе 1 и теплообменнике 9 предыдущая порция глубинной воды находится за пределами устройства и сносится, как правило, поверхностным волнением в водоеме в его периферийные зоны.

Одновременно с этим из верхнего конического насадка (ствола) 20 внутреннего трубопровода 2, обеспечивающего работу системы апвеллинга, непрерывно фонтанирует порция глубинной воды с максимальным ускорением, которое достигается как за счет специфических гидродинамических характеристик насадков 15 и 20, так и в результате дегазации потока глубинной воды, подогреваемой в системе теплообменников "труба в трубе" (14, 2) и 9, что также интенсифицирует десорбцию растворенных в глубинных водах различных газов-продуктов метаболизма (СO₂, CH₄, N₂, H₂S и др.) и создает газ-лифт-эффект. Гидродинамические характеристики коноидального насадка 15 были отмечены выше. Для конического сходящегося насадка 20 коэффициент расхода зависит от угла конусности и имеет максимальное значение при угле конусности, равном 13^o (т.н. "ствол"; брандспойт); такой насадок дает струю с большими скоростями, которая дробится в атмосфере не более мелкие струи и капли с большой поверхностью межфазового контакта на границе вода-воздух, что также способствует интенсификации всех тепло- и массообменных процессов на границе раздела фаз с первых моментов их контакта. При средних погодных условиях эта порция глубинной воды собирается во внутреннем (первом от центра устройства) резервуаре верхнего отсека теплообменника 9 и за счет разности уровней в его резервуарах самотеком по сложной траектории, формируемой кольцевыми перегородками 11 и 12, изливается в водоем. При этом глубинная вода нагревается практически до температуры поверхностной воды (а в солнечные дни даже выше) за счет теплообмена с последней и перегрева на горизонтальном пороге перегородки 11, что исключает возвратное погружение поднятых на поверхность водоема глубинных вод в системе апвеллинга и интенсифицирует обменные процессы в поверхностных слоях водоема на большой площади (поверхности межфазового контакта) за счет сноса ее в его периферийные зоны. Формированию большой поверхности обменных процессов в поверхностных слоях водоема способствуют также различные биогенные и нейтральные вещества в его глубинных горизонтах (например частицы ила, песка или серы, образующейся в результате окисления сероводорода и т.п.).

При последующем подъеме устройства для аэрации глубинных вод от подошвы волны к ее вершине происходит открывание нижнего отсека (камеры) теплообменника 9, заполнение его водой и воздухом с высокой степенью эмульгирования последнего за счет вращения с ускорением водовоздушной смеси в системе оребрения 13, открывая обратного клапана 17 и истечения с ускорением содержащейся в межтрубном пространстве водовоздушной эмульсии через кольцевую цель между торцом наружного трубопровода 1 и клапаном 17. Таким образом, в этот период работы устройства самопроизвольно за счет волнения на поверхности водоема включается система даунвеллинга и выключается система апвеллинга, т.е. происходят рассмотренные выше процессы, но в обратной последовательности, что и в фазе работы устройства при соскальзывании его с вершины волны к ее подошве.

Итак, совершая в соответствии с движением волн на поверхности водоема периодические перемещения вверх-вниз, предлагаемое устройство для аэрации его глубинных вод преобразует энергию волн в работу по перемещению объемов глубинных вод с повышенной концентрацией продуктов метаболизма на поверхность водоема, а поверхностных, насыщенных воздухом вод в его глубинные (придонные) горизонты, т. е. сочетание работе единого устройства процессов апвеллинга и даунвеллинга позволяет существенно повысить его производительность и эффективность всех обменных процессов как в поверхностных слоях водоема, так и в его глубинных слоях (горизонтах) за счет ускоренного гидротранспорта, продуктов метаболизма и кислородом воздуха, а также теплообмена в системе рекуперационных теплообменников поверхностного и типа "труба в трубе". Движение глубинных вод в фонтанирующем режиме при истечении их из конического насадка в системе апвеллинга также существенно интенсифицирует абсорбцию ими кислорода воздуха за счет максимально возможной при данных погодных условиях степени дробления струи на струйки и капли, развития поверхности межфазового контакта, как следствия, этих процессов.

Устройство для аэрации глубинных вод водоемов просто и надежно в эксплуатации при всех погодных условиях и долговечно, поскольку в нем нет движущихся кинематических пар и требующих надежных уплотнений деталей и узлов, оно не требует дополнительных источников энергии и, как следствие, этого экономично в эксплуатации и изготовлении. Обратный клапан работает в глубине водоема плавно, без резких движений и перекосов; его ход ограничен как ограничителем 19, так и балластом 5. Оно не наносит вреда окружающей среде, не выделяет вредных веществ; простая и надежная система звуковой и световой сигнализации, также работающая за счет поверхностного волнения в водоеме, способствует безопасности в зоне действия устройства. Способ аэрации глубинных вод и устройство для его осуществления экологически безупречны. Биогенные вещества из глубинных горизонтов водоема, транспортируемые на его поверхность системой апвеллинга, распространяясь по поверхности водоема в результате его естественного волнения, способствуют усиленном росту фито- и зоопланктона, что, в свою очередь, создает оптимальные условия для улучшения кормовой базы рыб и концентрации промысловых объектов в конкретной акватории водоема. В аридных регионах система апвеллинга существенно повышает влажность воздуха, что способствует увеличению количества осадков на прилегающих территориях (например, в прибрежных районах), смягчению климата и повышению плодородия Земель.

Высокую эффективность предложенного способа аэрации глубинных вод в водоемах и устройства для его осуществления можно проследить, рассматривая более полно условия работы устройства, изложенные в [1] Аналогичное устройство с подъемным трубопроводом диаметром 1,2 м (площадь рабочего сечения равна 1 м²), установленное в акватории со средним полной высотой волн, равной 1,7 м, и периодом их движения, равным 6 с, обеспечивает расход воды 1 м³/с. Эффективность работы устройства оцениваем, например, по времени пребывания частиц жидкости в его рабочем объеме τ в сравнении со средним расходным временем процесса t_o как долю х, имеющих время пребывания, не меньшее, чем τ по уравнению [3]

где х доля частиц жидкости (или какого-либо "метящего" вещества), время пребывания которых в рабочем объеме устройства (аппарате), не меньшее, чем τ;
t как правило, продолжительность процесса, с; в нашем случае его удобно взять равным периоду волн в водоеме;
t_o среднее расходное время процесса; с; τ_o=V_p/Q;
n в данном случае число рабочих трубопроводов для "перекачивания" жидкости;
V_p рабочий объем устройства, м³; V_p F_pi•h_в;
Q расход жидкости (воды) через рабочий трубопровод, м³/с;
F_pi площадь сечения рабочего трубопровода, м²;
h_в высота волн на поверхности водоема, м; размах в работе устройства.

Расчет для аналога (при n 1 и D_тр 1,2 м) дает величину х 0,0293, т.е. только около 3% глубинной воды подается устройством на поверхность водоема для ее аэрации. Совместная работа двух трубопроводов (D_тр1 1,2 м и D_тр2 1,65 м) в предлагаемом устройстве, совмещающем одновременно систему даунвеллинга и апвеллинга, позволяет аэрировать более половины вод в рабочем объеме устройства V_p, что свидетельствует о высокой эффективности способа и устройства по представленным материалам.

Сущность изобретения: способ аэрации глубинных вод водоемов включает подачу с завихрением поверхностные насыщенные кислородом воздуха воды в глубин водоема посредством преобразования энергии волн на его поверхности в работу по перемещению объемов воды в рабочем трубопроводе, одновременно с этим на поверхность водоема с ускорением за счет гидродинамических характеристик входного и выходного насадков внутреннего рабочего трубопровода и газлифт - эффекта выделяющихся газов подают глубинные воды, нагревая их за счет теплоты поверхностных вод. Устройство для аэрации глубинных вод водоемов содержит поплавок, прикрепленную к нему вертикальную трубу с обратным клапаном, расположенным коаксиально снаружи трубы кольцевым поверхностным теплообменником, дополнительную трубу, расположенную внутри вертикальной трубы, коноидальные насадки, размещенные на входах труб и конический сходящийся насадок, установленный на выходе внутренней трубы. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ аэрации глубиных вод водоемов, заключающийся в том, что поверхностные насыщенные кислородом воздуха воды подают в глубину водоема посредством преобразования энергии воды на его поверхности в работу по перемещению объемов воды в рабочем трубопроводе, отличающийся тем, что указанные поверхностные воды завихряют и с ускорением за счет гидродинамических характеристик входного коноидального насадка рабочего трубопровода подают в глубину водоема, одновременно с этим на поверхность водоема с ускорением за счет гидродинамических характеристик входного и выходного насадков внутреннего рабочего трубопровода и газлифт-эффекта выделяющихся газов подают глубинные воды, нагревая их за счет теплоты поверхностных вод. 2. Устройство для аэрации глубинных вод водоемов, содержащее поплавок и прикрепленную к нему основную вертикальную трубу с обратным клапаном, отличающееся тем, что оно снабжено расположенными коаксиально снаружи основной трубы кольцевым поверхностным теплообменником и внутри нее дополнительной трубой, при этом на входы этих труб установлены коноидальные насадки, а на выход внутренней трубы конический сходящийся насадок. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде усеченного конуса, прикрепленной к его большему основанию цилиндроконической обечайки, образующей его верхний и нижний резервуары, кольцевых перегородок, установленных концентрично в верхнем резервуаре усеченного конуса, из которых первая от центра имеет регулируемый в горизонтальной плоскости переливной порог, а следующая установлена с возможностью перемещения по вертикали, и расположенных в нижнем резервуаре радиальных перегородок криволинейной формы. 4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что переливной порог и верхняя часть цилиндроконической обечайки теплообменника имеют вид зубчатого венца. 5. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что нижний торец основной трубы расположен на расстоянии, составляющем не менее пяти ее диаметров, от нижнего торца дополнительной трубы. 6. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что оно снабжено направляющими аппаратами, расположенными в кольцевом пространстве между трубами. 7. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что обратный клапан установлен у нижнего торца основной трубы с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения.