СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МИКРОПУЗЫРЬКОВОЙ РЫБОЗАЩИТЫ ВОДОЗАБОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК E02B8/08 

Изобретение относится к области экологии, рыбозащиты, а также к способам и средствам подачи звуковых сигналов с помощью элементов, приводимых в движение жидкостью или газом, и может быть использовано для защиты водозаборов электростанций, в частности, рыбозащиты и защиты от мусора.

Проблема создания и внедрения рыбоохранных технологий при эксплуатации водозаборных сооружений приобрела актуальный характер в 70-е годы в связи с резким увеличением водоизъятия для сельскохозяйственных, промышленных и коммунально-бытовых нужд.

В рамках рассматриваемой проблемы существует и второй не менее актуальный аспект - защита технологического оборудования насосных станций водозаборных сооружений от посторонних включений (рыбы, водоросли, ил, песок, мусор и т.д.), которые при интенсивном водозаборе снижают срок службы и надежность функционирования элементов береговых насосов.

Информация о внешней среде обитания воспринимается рыбами благодаря рецепторным системам, наиболее важными из которых по объему принимаемой информации являются зрение, слух, органы боковой линии. Таким образом, если говорить о целенаправленном управлении поведением рыб, то вся управляющая информация должна формироваться и генерироваться в среду обитания, в основном, виде оптических, акустических или гидродинамических сигналов. Более того, принимая во внимание тот факт, что степень развития отдельных рецепторов различна у рыб различных экологических групп и меняется в процессе жизни каждой из групп, наиболее перспективным для управления поведением рыб является комплексное воздействие (оптическое, акустическое и т.д.) управляющих сигналов, имитирующих соответствующие биологически значимые сигналы.

В настоящее время существует множество конструкций рыбозащитных устройств, однако до сих пор не решена задача создания комплексного рыбозащитного устройства, которое должно обладать следующими свойствами:
эффективно выполнять свою основную функцию - функцию рыбозащиты;
быть достаточно универсальным с точки зрения применимости его для различных водоемов с различными гидродинамическими и другими физическими характеристиками;
быть относительно недорогим, надежным и долговечным,
обладать простотой обслуживания и возможностью оперативной адаптации к меняющимся условиям водоема.

Существующие рыбозащитные устройства можно разделить на следующие группы, отличающиеся принципом создания эффектов отпугивания рыб:
механические;
электрические;
акустические;
воздушно-пневматические;
зрительно-световые.

В частности, механические устройства (плетни, каменные набросы, фильтры кассетного типа, плоские сетки, ленточные сетки, сетчатые барабаны с принудительной очисткой и т.д.) имеют значительное гидродинамическое сопротивление и приводят к гибели рыбы, а электрозаградители травмируют рыбу и неэкономичны. Акустические рыбозащитные устройства на базе гидроакустических генераторов низкочастотных колебаний, излучаемых непосредственно в водную среду на определенной глубине, достаточно дороги. Зрительно-световые рыбозащитные устройства ориентированы на использование в ночное время и их применение ограничивается водоемами с хорошей прозрачностью воды.

Наиболее близким к предложенному является воздушно-пневматический способ рыбозащиты. Способ основан на создании непрерывной воздушно-пузырьковой или воздушно-пневматической завесы непосредственно в районе водозабора. С этой целью в придонной области водоема перед защищаемым водозабором испускают пузырьки воздуха, поднимающиеся к поверхности и образующие завесу. Известный способ осуществляют с помощью устройства, также наиболее близкого к предложенному. Обычно по дну водоема прокладывают воздушную магистраль с перфорацией (перфорированный коллектор), куда под давлением подается воздух. Давление создается воздушными компрессорами (Кузнецов Ю.А. Влияние воздушных завес на поведение рыбы. - Журнал "Рыбное хозяйство", 9, 1969 г., с. 53...55, 10, с. 48...50). Иными словами, в известном способе воздушно-пневматическая завеса создается путем испускания сжатого воздуха из отверстий размещенного на дне водоема перфорированного коллектора.

Известный способ достаточно эффективен, поскольку воздушно-пневматическая завеса создает одновременно зрительное, тактильное и акустическое отпугивающее воздействие. Однако и этот способ обладает рядом существенных недостатков.

Так, диаметр пузырьков в известном способе колеблется в пределах 0,4-1,5 мм, а следовательно диаметр отверстий или сопел коллектора не превышает эти величины. Такие отверстия быстро зарастают, что существенно ограничивает срок службы защитного устройства, во всяком случае, интервал от одного его обслуживания до другого. Кроме того, компрессор, входящий в состав установки, дорог и потребляет значительное количество электроэнергии. Далее, известный способ обладает недостаточной эффективностью защиты по следующим причинам. Во-первых, крупные пузырьки схлопываются только на поверхности водоема и при этом проталкивают часть плавающего на поверхности мусора к водозабору. В то же время, динамика движения крупных пузырьков в воде такова, что они не обладают выраженным подповерхностным мусороотталкивающими и рыбоотпугивающими свойствами. Во-вторых, диапазон шумового воздействия крупных пузырьков узок, а амплитуда недостаточна. И, в-третьих, известные способ и устройство не обладают адаптируемостью к условиям водоема.

Следует отметить и еще один недостаток известных способа и устройства: они не позволяют ввести в завесу отпугивающих рыбу ароматических веществ, что дополнительно ограничивает область применения.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования предлагаемого изобретения, является повышение эффективности защиты известных способа и устройства при одновременном снижении их стоимости, увеличении срока службы и адаптируемости к условиям водоема, расширении области применения.

Указанный результат достигается тем, что в способе гидродинамической микропузырьковой рыбозащиты водозаборов, включающем испускание воздушных пузырьков в придонной области водоема перед водозабором, испускание воздушных пузырьков осуществляют путем предварительного получения воздушно-водяной микропузырьковой смеси, струи которой затем испускают в придонной области водоема.

Кроме того, получение воздушно-водяной микропузырьковой завесы осуществляют путем совместной гидродинамической кавитационной обработки воды и воздуха.

При этом средний размер микропузырьков, образующихся в зоне кавитации, поддерживают в диапазоне 5-25 мкм.

Рекомендуется также совместную гидродинамическую кавитационную обработку воды и воздуха производить в гидродинамическом кавитационном смесителе при разнице давлений на входе гидродинамического кавитационного смесителя и в его наиболее узком сечении, определяемой из соотношения

0,36 > ε > 0,
где ΔP - разница давлений на входе гидродинамического кавитационного смесителя и в его наиболее узком сечении, кГ/см²,
v - скорость в наиболее узком сечении гидродинамического кавитационного смесителя, м/с,
ρ - средняя плотность воздушно-водяной смеси, кг/м³,
ε - заданная величина, характеризующая средний размер микропузырьков в смеси.

Указанный результат достигается также тем, что известное устройство для осуществления способа, содержащее перфорированный коллектор, снабжено последовательно соединенными водонапорной магистралью и гидродинамическим кавитационным смесителем, выполненным с воздухозаборным патрубком, при этом выход гидродинамического кавитационного смесителя подключен ко входу перфорированного коллектора.

Кроме того устройство может быть снабжено дозатором пахучих веществ, подключенным к воздухозаборному патрубку.

Целесообразно также гидродинамический кавитационный смеситель выполнить в виде цилиндрического корпуса с конфузором, диффузором и проточной камерой, в котором расположено тело кавитации, выполненное в виде тела вращения.

Кроме того, образующая тела кавитации может быть выполнена с одной максимально удаленной от оси тела кавитации точкой.

И, наконец, тело кавитации может быть выполнено с усеченным наконечником.

Таким образом, основной особенностью предлагаемых способа и устройства является то, что в коллектор поступает уже готовая микропузырьковая воздушно-водяная смесь, выходящая из отверстий коллектора струями, обладающими значительным запасом кинетической энергии. При этом содержащиеся в смеси микропузырьки схлопываются на всем протяжении водной толщи, обеспечивая эффективную рыбозащиту и защиту водозабора. Разумеется, предлагаемые способ и устройство можно использовать не только для защиты водозаборов, но и для целей рыбозащиты вообще.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 изображен коллектор. На фиг.3 представлен продольный разрез гидродинамического кавитационного смесителя (аппарата), а на фиг.4 изображена крепежная рамка тела кавитации в двух проекциях. Само тело кавитации показано на фиг.5. Фиг.6 иллюстрирует характер изменения кривизны вдоль тела кавитации, а на фиг.7 показан второй из возможных вариантов выполнения смесителя. И, наконец, на фиг. 8 изображена эмпирическая зависимость среднего размера микропузырьков от коэффициента ε.
Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит (см. фиг.1) водонапорную магистраль 1 (обычно используется имеющийся на каждой электростанции водосброс без установки дополнительного оборудования), задвижку 2, гидродинамический кавитационный смеситель (аэратор) 3 с воздухозаборным патрубком 4. Ниже уровня (поверхности) 5 воды располагается перфорированный коллектор 6, т.е. перфорированная труба или магистраль с соплами (отверстиями) 8 (фиг.2), из которых показанные на фиг. 1 стрелками струи 7 воздушно-водяной смеси поднимаются к поверхности 5. Позицией 9 на фиг.1 обозначен грунт на дне водоема.

Смеситель 3 (фиг.3) содержит корпус 10 с конфузором 12, диффузором 13, проточной камерой 14 и присоединительными фланцами 15. В камере 14 установлено тело 16 кавитации с волнообразной образующей и хвостовиком, за которым показана зона 17 кавитации. Тело 16 установлено на кронштейне 18 прямоугольного сечения, закрепленном между рамок 19. При установке тела 16 в камере 14 гайка 20 размещается на резьбовом наконечнике кронштейна 18, который размещается в центральных отверстиях 21 рамок 19 (фиг.4). Тело 16 с образующей 22 имеет наконечник 23 и хвостовик 24. Наиболее удаленная от оси точка 25 тела 16 соответственно ограничена точками перегиба (на фиг. 5 изображены стрелками). Позицией 26 на фиг.4 обозначена спица рамки 19.

К патрубку 4 может подключаться дозатор 27 пахучих веществ (фиг.1) с выходным патрубком 28 (фиг.7), размещенным в отверстии патрубка 4. Патрубок 4 может быть размещен и до смесителя 4 на магистрали 1, как и дозатор 27. При недостаточном напоре в магистрали 1 устанавливается насос 29.

Устройство работает следующим образом.

Вода из магистрали 1 под напором поступает на вход смесителя 3, в камере 14 которого под действием кавитационного поля всасываемый в зону разрежения через патрубок 4 воздух разбивается на пузырьки диаметром 5 - 25 мкм, равномерно распределенные в воде, которая дополнительно насыщается воздухом. В результате из отверстий 8 коллектора 6 выходят струи воздушно-водяной смеси, пузырьки интенсивно движутся вверх, образуется непрерывная завеса. При этом, в отличие от известных решений, в предложенном имеется ряд важных преимуществ, в частности:
размер отверстий 8 может быть велик (6-12 мм) и они не зарастают со временем,
устройство не содержит дорогостоящего и неэкономичного источника сжатого воздуха,
микропузырьки схлопываются на всем протяжении завесы, обеспечивая ее эффективность также на всем протяжении,
образующиеся из растворенного в воде воздуха, поднимающиеся кверху и схлопывающиеся пузырьки, а также смеситель 3, который может быть размещен вблизи поверхности 5, являются мощным источником шума в широком диапазоне частот и по всей высоте завесы,
спектр шумового воздействия, его кинетическая энергия и размер микропузырьков могут быть легко адаптированы к условиям конкретного водоема путем замены тела 16, изменения напора или расхода воды, например, регулировки положения входной задвижки 2, поворота сопла 8,
в предложении автоматически обеспечивается введение в смесь пахучих веществ,
рыбозащита в предлагаемом решении осуществляется комплексно, путем акустического, тактильного и оптического воздействия (рыба реагирует на микропузырьки острее, чем на пузырьки размером 0,2-2 мм, завеса из микропузырьков воспринимается ею как непреодолимое препятствие,
в предлагаемой завесе газо-водяная смесь подается на подводный коллектор в уже сформированном виде. Скорость движения этой смеси через сопла легко регулируется, что создает возможность направленного "отпугивающего" воздействия на рыб переменных гидродинамических полей, благодаря кинетической энергии струй завеса обладает и выраженным мусороотталкивающим свойством.

совместная кавитационная обработка воды и воздуха обеспечивает максимальную аэрацию и активацию воды, что не только усиливает рыбозащитный эффект, но и способствует обеззараживанию водоема, его очистке от биологических загрязнений,
высокочастотные акустические колебания, вызванные микроударными волнами, возникающими в зоне кавитации, через смесь, испускаемую в придонной области, распространяются во все стороны, обеспечивая дополнительную рыбозащиту.

Как явствует из изложенного, для получения вышеуказанного результата достаточно создать завесу из предварительно полученной смеси воздуха и воды, в которой размер пузырьков достаточно мал, в частности, менее 3 мм. Сделать это можно с помощью любого смесителя, однако предлагаемый гидродинамический кавитационный смеситель эффективнее и надежнее, поскольку позволяет получать микропузырьки требуемого размера без существенных затрат энергии и не содержит подвижных элементов. При этом необходимо учитывать, что в коллекторе 6 происходит частичное укрупнение микропузырьков за счет их слияния, однако при среднем размере 5-25 мкм на выходе аэратора 3, на выходе коллектора размер пузырьков составляет не более 100 мкм.

Выражение, приведенное выше, позволяет управлять степенью кавитационной обработки и, следовательно, размером пузырьков воздуха в воде. В этом выражении безразмерный коэффициент ε характеризует жесткость кавитационного поля и связан со средним размером пузырьков r_ср, как показано на фиг. 8.

Под процессом кавитации понимается образование в жидкой среде пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах жидкости, где давление становится ниже некоторого критического давления (p_кр) вследствие больших скоростей течения потока. Обычно кавитационный процесс возникает в камере 14 за телом 16, когда поток воды с воздухом из конфузора 12 попадает в наиболее узкое сечение камеры 14. Процесс развивается при давлениях, немного меньших давления насыщенного пара при данной температуре. Пузырьки воздуха, двигаясь с потоком и попадая в область давления p < p_кр, сильно расширяются в результате того, что их давление оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и давления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давлением создается зона, заполненная движущимися пузырьками.

После перехода в зону повышенного давления (диффузор 13, коллектор 6) рост пузырьков прекращается, и они начинают сокращаться. Если пузырек содержит достаточно много газа (пара), то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и совершает несколько циклов затухающих колебаний. Если газа (пара) мало, то пузырек схлопывается полностью в первом периоде жизни.

Схлопывание кавитационных пузырьков происходит с высокой скоростью (сравнимой со скоростью звука). Если степень развития кавитации такова, что одновременно возникает и схлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается мощным волновым процессом со сплошным спектром частот колебаний от нескольких сотен герц до тысяч килогерц. В кавитационной области возникают гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками.

Выделяемая в результате посткавитационной релаксации потока энергия интенсивно дробит содержащиеся в потоке пузырьки воздуха, интенсивно перемешивает среду.

Как показали проведенные исследования, основной рыбозащитный эффект обеспечивают зрительное восприятие завесы из пузырьков и акустические низкочастотные колебания, создаваемые воздушно-пузырьковыми струями. При этом надежный рыбозащитный эффект проявляется при размере микропузырьков воздуха до 3 мм.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать воздушно-пузырьковую завесу без применения воздуходувов и компрессоров, используя лишь энергию уже имеющихся на водозаборной станции подающих насосов, т.е. решена задача классического построения рыбозащитного устройства, где за основу берется создание воздушно-пузырьковой завесы.

При использовании кавитационного смесителя 3 величина пузырьков формируется на его выходе, поэтому появляется возможность увеличить диаметр сопел до 6-12 мм, что решает проблему заиленности и создания надежной воздушно-пузырьковой завесы без просветов и разрывов.

Предлагаемый способ был успешно апробирован на ТЭЦ-17 - филиале АО МОСЭНЕРГО.

Способ заключается в создании завесы в виде воздушно-водяной микропузырьковой смеси, струи которой испускают в придонной области водоема перед водозабором. Получение воздушно-водяной микропузырьковой завесы можно осуществлять путем совместной гидродинамической обработки воды и воздуха. Обработку можно производить в гидродинамическом кавитационном смесителе при разнице давлений на входе гидродинамического кавитационного смесителя и в его наиболее узком сечении, определяемой из соотношения

где ΔP - разница давлений на входе гидродинамического кавитационного смесителя и в его наиболее узком сечении, кГ/см²;
v - скорость в наиболее узком сечении гидродинамического кавитационного смесителя, м/с;
ρ - средняя плотность воздушно-водяной смеси, кг/м³;
ε - заданная величина, характеризующая средний размер микропузырьков в смеси.

Устройство содержит перфорированный коллектор и снабжено последовательно соединенными водонапорной магистралью и гидродинамическим кавитационным смесителем (ГКС), выполненным с воздухозаборным патрубком. Выход ГКС подключен ко входу перфорированного коллектора. Это позволяет повысить эффективность защиты способа и устройства при одновременном снижении их стоимости, увеличить срок службы и адаптируемости к условиям водоема, расширить область применения. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ гидродинамической микропузырьковой рыбозащиты водозаборов, включающий испускание вовоздушных пузырьков в придонной области водоема перед водозабором, отличающийся тем, что испускание воздушных пузырьков осуществляют путем предварительного получения воздушно-водяной микропузырьковой смеси, струи которой затем испускают в придонной области водоема. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что получение воздушно-водяной микропузырькой завесы осуществляют путем совместной гидродинамической кавитационной обработки воды и воздуха. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что совместную гидродинамическую кавитационную обработку воды и воздуха производят в гидродинамическом кавитационном смесителе при разнице давлений на входе гидродинамического кавитационного смесителя и в его наиболее узком сечении, определяемой из соотношения

0,36 > ε > 0,
где ΔP - разница давлений на входе гидродинамического смесителя и в его наиболее узком сечении, кГ/см²;
V - скорость в наиболее узком сечении гидродинамического кавитационного смесителя, м/с;
ρ - средняя плотность воздушно-водяной смеси, кг/м³;
ε - заданная величина, характеризующая средний размер микропузырьков в смеси. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что средний размер микропузырьков, образующихся в зоне кавитации, поддерживают в диапазоне 5 - 25 мкм. 5. Устройство для осуществления способа, содержащее перфорированный коллектор, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными водонапорной магистралью и гидродинамическим кавитационным смеситетем, выполненным с воздухозаборным патрубком, при этом выход гидродинамического кавитационного смесителя подключен ко входу перфорированного коллектора. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено дозатором пахучих веществ, подключенным к воздухозаборному патрубку. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что гидродинамический кавитационный смеситель выполнен в виде цилиндрического корпуса с конфузором, диффузором и проточной камерой, в котором расположено тело кавитации, выполненное в виде тела вращения. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что образующая тела кавитации выполнена с одной максимально удаленной от оси тела кавитации точкой. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что тело кавитации выполнено с усеченным наконечником.