РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ ФИЛЬТРОВАНИЯ "ПЕТЛЯ БРОНШТЕЙН" Российский патент 1999 года по МПК B01D24/48 

Изобретение относится к конструктивным элементам, улучшающим показатели работы фильтров, предназначенных для очистки питьевой воды, и может быть использовано, в частности, для безнапорных фильтров различной производительности.

Регулирование скорости фильтрования является главной технологической задачей для нормальной эксплуатации безнапорных скорых фильтров.

Технологический смысл многих конструкций регуляторов скорости фильтрования сводится к следующему: после промывки фильтров песчаная загрузка фильтра чистая и поэтому сопротивление слоя загрузки невелико, что дает возможность фильтруемой воде легко без больших сопротивлений проходить через слой загрузки. В этом случае, чтобы увеличить сопротивление потоку воды, проходящей через фильтр, а стало быть, и уменьшить скорость фильтрования, необходимо увеличить сопротивление на трубопроводе выхода воды с фильтров. В свою очередь, при уменьшении скорости фильтрации улучшается качество питьевой воды по содержанию железа, взвешенным веществам.

По истечении некоторого времени от момента промывки фильтров песчаная загрузка фильтров загрязняется, в связи с чем ее сопротивление увеличивается, а следовательно, и скорость фильтрования уменьшается. Поэтому, чтобы облегчить воде возможность прохождения через фильтрующую загрузку, необходимо уменьшить сопротивление на трубопроводе фильтрата.

Для решения технологической задачи поддержания скорости фильтрования в оптимальных пределах в известных регуляторах скорости фильтрования используется именно этот описанный выше принцип.

Известен регулятор скорости фильтрования, представляющий собой дроссельный клапан, установленный на трубопроводе, отводящем фильтрованную воду. Смысл дроссельного клапана - создание в случае необходимости дополнительного сопротивления на трубопроводе фильтрата. Дроссельный клапан связан с помощью тяги и коромысла с поплавком, расположенным внутри самой конструкции фильтра. Сам же поплавок связан с коромыслом при помощи троса. Данное устройство работает следующим образом: после промывки, когда загрузка фильтра чистая и имеет маленькое сопротивление, уровень воды в фильтре минимальный, в связи с чем поплавок опускается вниз вслед за уровнем воды, а так как поплавок через систему тросов и тяг связан с дроссельным клапаном на трубопроводе отвода фильтрата, то в этот момент дроссельный клапан прикрывается, а значит сопротивление для прохождения воды по отводящему трубопроводу увеличивается, что уменьшает скорость фильтрации. По мере истечения времени от момента промывки фильтра загрузка загрязняется и сопротивление ее растет. В связи с этим уровень воды в фильтре поднимается, а значит и поднимается поплавок, который в свою очередь через трос и тягу с коромыслом воздействует на дроссельный клапан на трубопроводе фильтрата, который в этом случае приоткрывается, в связи с чем увеличивается скорость фильтрации /А.А.Кастальский, Д.М.Минц "Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения". - М. : Высшая школа, 1962, с. 272-273, Б.А. Москвитин, Г.М.Мирончик, А.С.Москвитин "Оборудование водопроводных и канализационных сооружений". - М: Стройиздат, 1984, с. 33/.

Данная конструкция имеет ряд существенных недостатков:
- ненадежность в работе из-за механического "заклинивания" большого количества сочленений тросов, коромысел и тяг, связанных с поворотной заслонкой, которая в свою очередь также механически движется внутри трубопровода, абсолютно недоступная и не видная для оператора. Заслонка также часто "заклинивает", причем оператор может этого и не заметить;
- поворотная заслонка /дроссельный клапан/ часто принимает не то положение, которое должен принимать, что также не видно для оператора;
- обрывы троса, на котором крепится поплавок;
- при заклинивании дроссельного клапана /поворотной заслонки/ требуются частые ревизии, которые требуют остановки всего фильтра;
- в данном регуляторе скорости фильтрования отсутствует механизм предотвращения возможности оголения загрузки фильтра, что является едва ли не самым важным недостатком всех из известных регуляторов скорости фильтрования, но чему неоправданно не придается большого значения многими авторами. При оголении загрузки вода фильтруется не через всю поверхность фильтра, а находит себе лишь узкий канал, при этом не происходит никакой очистки воды.

Известен регулятор скорости фильтрования /см. Дегремон, Технические записки по проблемам воды, перевод с английского под редакцией Т.А.Карюхиной, И.Н.Чурбановой. - М.: Стройиздат, 1983, том. 1, с.с. 312-313/.

В отличие от описанного ранее типа регулятора поворотно-регулирующая заслонка /дроссельный клапан/ установлена не на трубопроводе, отводящем фильтрованную воду, а в канале, отводящем фильтрованную воду, так как в фильтрах с подобными регуляторами конструктивно используется канал для отведения очищенной воды с фильтров. Для каждого фильтра перед выходом фильтрованной воды в канал устанавливается выпускной водослив, верхняя кромка которого расположена выше высотной отметки песчаной загрузки фильтра, что в отличие от предыдущей конструкции регулятора скорости фильтрования позволяет все время поддерживать уровень воды выше уровня загрузки, предотвращая ее оголение. В то же время наличие такого стационарного водослива с нерегулируемой высотной отметкой верхней кромки создает большое неудобство при эксплуатации: в случае максимального загрязнения песчаной фильтрующей загрузки описываемый водослив будет создавать такое большое дополнительное сопротивление выходу воды с фильтра, что необходимо предусматривать дополнительные системы регулирования, цель которых - уменьшение количества подаваемой на фильтр воды при максимальном загрязнении песчаной загрузки. Данное обстоятельство усложняет систему регулирования скорости фильтрования, а также приводит к использованию дополнительных средств автоматики для регулирования количества подаваемой на фильтр воды в зависимости от загрязнения загрузки или, что одно и то же, при резком подъеме уровня воды в фильтре, а также в отводящем канале фильтров. В качестве средств автоматики для регулирования количества подаваемой на фильтр исходной воды используются датчики уровня в отводящем общем канале фильтрованной воды /общем резервуаре для нескольких фильтров для фильтрованной воды/ и задвижки с электроприводом либо клапаны на впуске сырой воды на фильтр.

Недостатками регуляторов подобного типа являются следующие:
- необходимость регулирования расхода исходной воды на входе в фильтр при помощи средств автоматики, помимо регулирования скорости фильтрования при помощи поворотной дроссельной заслонки на трубопроводе фильтрата, так как достаточно большая геометрическая высота стационарного выпускного водослива при загрязнении фильтра создает настолько большое сопротивление для выхода воды с фильтра /подпор на выходе/, что приходится уменьшать расход исходной воды на входе в фильтр,
- применение сложных в эксплуатации систем автоматического регулирования - датчика уровня, задвижки с электроприводом или автоматические клапаны. Как отмечалось ранее, задвижки с электроприводом ненадежно работают в сырых фильтровальных залах, а системы автоматики часто отказывают и требуют ремонта и обслуживания специалистами КИП и А, которые не всегда бывают в штате станции очистки воды,
- ненадежная работа дроссельной поворотной заслонки /клапана/, ее заклинивание и недоступность расположения внутри трубопровода. Оператор не видит в каком положении находится поворотная заслонка и вообще работает ли она.

Наиболее близким по технической сущности является регулятор скорости фильтрования, раскрытый в книгах А.А.Кастальского, М.Д.Минца "Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения". - М.: Высшая школа, 1962, с. 275, Б.А.Москвитин, Оборудование водопроводных и канализационных сооружений. - М.: Стройиздат, 1984, с. 33.

Это регулятор скорости фильтрования непрямого действия с электроконтактным дифманометром. Принцип работы данного устройства состоит в том, что на трубопроводе фильтрованной воды устанавливается диафрагма, до и после которой измеряется перепад давлений при помощи электронного дифманометра. При отклонении скорости фильтрации от оптимальной величины электроконтактный дифманометр фиксирует изменение перепадов давлений до и после диафрагмы, при этом имеется в виду скорость движения воды в трубопроводе фильтрата. При отклонении скорости движения воды в трубопроводе от оптимальной величины, а значит и отклонении скорости фильтрации от оптимальной величины дифманометр дает команду на задвижку с электроприводом, установленную на трубопроводе, отводящем фильтрованную воду, которая либо приоткрывается, либо прикрывается.

Задвижка с электроприводом, установленная на трубопроводе фильтрованной воды, либо открывается, уменьшая сопротивление для прохождения воды по трубопроводу фильтрованной воды, тем самым увеличивая скорость фильтрования, либо закрывается, создавая дополнительное сопротивление движению воды в трубопроводе фильтрованной воды, при этом скорость фильтрации уменьшается.

В данной конструкции роль задвижки с электроприводом на трубопроводе фильтрата такая же, как в регуляторе скорости фильтрации 1 дроссельной поворотной заслонки.

Данный регулятор скорости фильтрования имеет следующие недостатки:
- сложность в эксплуатации из-за большого количества элементов, контрольно-измерительных приборов и автоматики в одном узле, часто отказывающих в работе и требующих специального обслуживания специалистом КИП и А, в то время как на станциях небольшой производительности подобные специалисты не всегда положены по штатному расписанию,
- отсутствует принцип простоты и надежности. Задвижки с электроприводом в фильтровальных залах, где большая влажность в помещении, часто выходят из строя, что усугубляется в данном узле большой нагрузкой на электродвигатель из-за его частых включений и выключений для поддержания оптимальной скорости фильтрации, пусковые же токи электродвигателя очень большие - в 6 раз превышают рабочие токи, из-за чего создаются тяжелые условия работы электродвигателя, что часто приводит к выходу его из строя,
- отсутствуют конструктивные элементы, предотвращающие оголение загрузки фильтра.

Целью предлагаемого изобретения является создание дешевого в плане строительно-монтажных работ, надежного и простого в эксплуатации эффективного регулятора скорости фильтрования, обеспечивающего надежную гарантию того, что загрузка фильтра будет постоянно покрыта водой даже при минимальных потерях напора в фильтре, то есть когда фильтрующая загрузка чистая, а также гарантию того, что при минимальных расходах подаваемой на фильтр воды загрузка будет покрыта слоем воды. Данный регулятор скорости фильтрования работает без использования средств автоматики.

Данная цель достигается тем, что регулятор скорости фильтрования "Петля Бронштейн", включающая трубопровод, диаметр которого не менее диаметра трубопровода фильтрата, расположенная на трубопроводе фильтрата, один из концов трубопровода регулятора скорости фильтрования соединен с трубопроводом фильтрата до задвижки, установленной на трубопроводе фильтрата, другой - после этой задвижки, а на самом трубопроводе регулятора скорости фильтрования установлена задвижка. Причем высотная отметка верха трубопровода регулятора скорости фильтрования в наивысшей точке равна или несколько выше высотной отметки верха песчаной загрузки фильтров, а в наивысшей точке трубопровода регулятора скорости фильтрования расположен вертикальный патрубок, вверх которого выше верха фильтров.

Регулятор скорости фильтрования изображен на чертеже - общий вид.

Регулятор скорости фильтрования включает:
- "П"-образный патрубок - трубопровод 1 диаметром не менее трубопровода фильтрата;
- задвижка 2, установленная на регуляторе скорости фильтрования;
- вертикальный патрубок 3;
- участок трубопровода, отводящего фильтрованную воду. Данный участок трубопровода фильтрата, входящий в состав всех фильтров, становится элементом нашего регулятора скорости фильтрования - участок 4 - вместе с задвижкой на трубопроводе фильтрата 5, которая также становится элементом конструкции регулятора скорости фильтрования;
- 6 - дренажная система фильтра;
- 7 - трубопровод, отводящий фильтрат /очищенную воду с фильтра/;
- 16 и 14 соответственно трубопроводы подачи исходной воды на фильтр и отведения грязной промывной воды с фильтра:
- 14 - трубопровод сброса грязной промывной воды;
- 8 - трубопровод подачи промывной воды на фильтр;
- 9 - задвижка на трубопроводе подачи промывной воды на фильтр;
- 10 - лоток для сбора грязной промывной при промывке фильтра и для подачи исходной неочищенной воды на фильтр;
- 11 - песчаная загрузка фильтра;
- 12 - окно для подачи исходной поступающей воды на фильтр;
- 13 - карман, в который поступает исходная вода.

Принцип работы регуляторов скорости фильтрования следующий.

Исходная вода поступает в карман фильтра 13, откуда через отверстие 12 попадает в фильтр. Пройдя через песчаную загрузку 11, очищенная вода собирается дренажной системой 6 и отводится по трубопроводу фильтрата 4 и 7 в последующие звенья технологической цепочки. По мере загрязнения фильтра через определенные промежутки времени осуществляется промывка обратным направлением движения воды, при этом промывная вода поступает по трубопроводу 8 в дренаж 6 и, промывая песчаную загрузку, далее направляется в лоток 12, затем в карман 13, откуда отводится по трубопроводу 14 в последующие звенья технологической цепочки. По данному принципу работают все традиционные безнапорные фильтры. При рабочем цикле фильтрации открыты задвижки 17 и 5, при работе без предложенного нами регулятора скорости фильтрования остальные задвижки закрыты /задвижки 9 и 15/. При промывке фильтра по схеме без предложенного нами регулятора скорости фильтрования открыты задвижки 9 и 15, остальные задвижки закрыты /закрыты 17 и 5/.

При работе схемы с предложенным нами регулятором скорости фильтрования принцип работы фильтра и регулятора скорости фильтрования следующий: исходная вода по трубопроводу 16 поступает в карман 13 и через окно 12 попадает в фильтр. Пройдя через песчанную загрузку 11, вода собирается дренажной системой с отверстиями 6 и по трубопроводу 1 регулятора скорости фильтрования поступает в трубопровод 7, отводящий чистую воду на дальнейшие звенья технологической цепочки. При обычном фильтроцикле при чистой песчаной загрузке открыты задвижки 17 и 2, то есть задвижка подачи исходной воды на фильтр и задвижка на петле-регуляторе скорости фильтрования. Благодаря тому, что высотная отметка верха трубопровода регулятора скорости фильтрования /Ур 1/, выше высотной отметки верха песчаной загрузки /отметка Ур 1'/, уровень воды в фильтре никогда не опускается ниже отметки Ур 1 или, что одно и то же, ниже отметки Ур 1" в силу известных законов гидравлики, а также закона сообщающихся сосудов. Именно это обстоятельство предотвращает возможность оголения песчаной загрузки, а также дает гарантию того, что скорости фильтрации будут лежать в оптимальных пределах. Как было замечено из практики, наилучший эффект работы фильтров наблюдается при уровне воды в фильтре, лежащем в пределах между высотными отметками от Ур 1" до Ур 2 / максимальный уровень/.

Предложенный нами регулятор скорости фильтрования поддерживает уровень воды в фильтре как раз в этих оптимальных пределах на протяжении всего фильтроцикла /периода между промывками/. На протяжении фильтроцикла уровень воды в фильтре поднимается по мере загрязнения загрузки от высотной отметки Ур 1" до отметки Ур 2 /максимальный уровень/, что гарантирует наилучшее качество фильтрата, а предотвращение возможности оголения загрузки исключает возможность образования каналов, по которым возможен проскок неочищенной воды. Для предотвращения создания условий для переполнения фильтра при сильном загрязнении загрузки может быть использована задвижка 5 на трубопроводе фильтрата, которая существует на всех традиционных фильтрах - в конце фильтроцикла ее можно несколько приоткрыть для гарантии предотвращения переполнения фильтра. Через определенное время /обычно через 8 часов/ песчаная загрузка фильтра настолько загрязняется, что необходима промывка фильтра. При промывке фильтра закрываются задвижки 17, 5, 2, а задвижки 9 и 15 открываются, таким образом закрываются задвижки на трубопроводах подачи воды на фильтр и трубопроводе отведения фильтрата и трубопроводе-регуляторе скорости фильтрования, а открываются задвижки на трубопроводе подачи промывной воды на фильтр и трубопроводе сброса грязной промывной воды с фильтра. После промывки фильтра-фильтроцикл повторяется заново.

Патрубок 3, установленный в наивысшей точке регулятора скорости фильтрования, служит для выпуска воздуха из верхней точки трубопровода. Необходимо отметить, что в отличие от регулятора скорости фильтрования, который имеет стационарную кромку водослива, предложенный нами регулятор скорости фильтрования в конце фильтроцикла при максимальном загрязнении загрузки всегда позволяет понизить уровень воды в фильтре для предотвращения возможности его переполнения, при этом несколько приоткрывается задвижка 5 на 1 - 2 оборота, что предотвратит возможность переполнения фильтра и в любом случае не позволит уровеню воды в фильтре упасть ниже отметки Ур 1", так как задвижка 5 открывается неполностью, в связи с чем трубопровод 4 в любом случае не может пропустить весь расход воды, подаваемой на фильтр /все количество исходной воды/, а лишь незначительно увеличивается скорость прохождения воды через фильтр.

Регулятор скорости фильтрования относится к конструктивным элементам, предназначенным для улучшения показателей работы фильтров для очистки питьевой воды. Регулятор выполнен в виде трубопровода, имеющего диаметр не меньше диаметра трубопровода для отвода фильтрата, изогнутого петлей, один конец которой присоединен к трубопроводу для отвода фильтрата до задвижки на нем, а другой после нее, при этом высотная отметка наивысшей точки петли равна или несколько выше высотной отметки верха песчаной загрузки фильтра. Изобретение позволяет просто и надежно обеспечивать постоянное покрытие загрузки водой даже при минимальных потерях напора в фильтре. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Регулятор скорости фильтрования, содержащий задвижку и установленный на трубопроводе для отвода фильтрата, имеющем задвижку, отличающийся тем, что он выполнен в виде трубопровода, имеющего диаметр не меньше диаметра трубопровода для отвода фильтрата, и изогнутого петлей, при этом один конец петли присоединен к трубопроводу для отвода фильтрата до задвижки, а другой - после нее, и высотная отметка наивысшей точки петли равна или несколько выше высотной отметки верха песчаной загрузки фильтра. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что в наивысшей точке петли установлен вертикальный патрубок, верхний конец которого расположен выше верха фильтра.