УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРАЦИИ ВОДЫ Российский патент 2002 года по МПК C02F3/20 C02F103/00 

Изобретение относится к устройствам для аэрации воды и может быть использовано при биологической очистке бытовых и производственных сточных вод, подготовке питьевой воды, а также для аэрации воды в водоемах.

Известно устройство для аэрации воды, содержащее водоподводящий и воздухозаборный трубопроводы и водовоздушный эжектор, состоящий из сообщенного с водоподводящим трубопроводом напорного сопла, цилиндрической камеры смешения с воздухоподводящими отверстиями в ее стенке, диффузора и приемной камеры, герметично охватывающей камеру смешения [1]. Однако такое устройство обладает сравнительно низкой окислительной способностью и малой степенью использования кислорода воздуха, что обусловлено недостаточной интенсивностью массообменного процесса растворения воздуха в воде. Это связано с наличием крупнодисперсных воздушных пузырьков, образующихся в процессе вовлечения и дробления атмосферного воздуха в камере смешения эжектора, в результате чего получается недостаточно развитая площадь межфазового контакта, что неблагоприятно отражается на процессе диффузии кислорода воздуха в воду.

Известно также устройство для аэрации воды, содержащее водоподводящий и воздухозаборный трубопроводы и водовоздушный эжектор и клапан, размещенный в воздухозаборном трубопроводе и обеспечивающий импульсный процесс аэрации, что интенсифицирует перемешивание воздуха с водой и перенасыщение воды кислородом [2] , (прототип). Однако и это устройство обладает недостаточно высокой окислительной способностью, так как открытие клапана в этом устройстве и импульсная подача воздуха в эжектор осуществляется за счет наличия гидравлического тарана. При этом для создания вакуума в камере смешения эжектора и открытия обратного клапана на воздухозаборном трубопроводе, давление, развиваемое тараном, должно быть не менее 1 МПа. Это требует значительной мощности напорной установки, так как известно, что впуск воздуха в трубопровод значительно снижает повышение давления при гидравлическом ударе. Поэтому рассматриваемая установка не может развивать большую величину вакуума в камере смешения эжектора и обеспечить получение тонкодиспергированных воздушных пузырьков. Кроме того, наличие гидравлического тарана, состоящего из сбросного клапана и воздушного колпака, значительно усложняет конструкцию установки, ее эксплуатацию и регулирование, а также снижает надежность ее работы.

Задача изобретения - интенсификация процесса растворения воздуха в воде за счет импульсной аэрации при глубоком вакууме, повышение надежности и упрощение регулирования работы установки.

Эта задача достигается тем, что в устройстве для аэрации воды, содержащем водоподводящий и воздухозаборный трубопроводы, водовоздушный эжектор, состоящий из сообщенного с водоподводящим трубопроводом напорного сопла, камеры смешения с воздухоподводящими отверстиями в ее стенке, диффузора и цилиндрической приемной камеры, герметично охватывающей камеру смешения, а также клапан, в отличие от прототипа клапан выполнен в виде полого дифференциального поршня с фланцевым затвором на его конце и расположенного на наружной поверхности камеры смешения седла и размещен внутри приемной камеры, разделяя ее на зарядную полость, сообщенную с воздухозаборным трубопроводом, рабочую полость, сообщенную с зарядной полостью трубопроводом перепуска воздуха, и вакуумную полость, ограниченную внутренней поверхностью дифференциального поршня и наружной поверхностью камеры смешения, причем площадь торцевой поверхности дифференциального поршня со стороны рабочей полости превышает площадь его торцевой поверхности со стороны зарядной полости, при этом дифференциальный поршень установлен с возможностью попеременного сообщения, при его возвратно-поступательном движении, рабочей и вакуумной полостей через воздухоподводящие отверстия с камерой смешения. Кроме того, дифференциальный поршень установлен в приемной камере с возможностью периодического перекрытия трубопровода для перепуска воздуха из зарядной полости в рабочую, причем ход поршня до перекрытия трубопровода равен ходу фланцевого затвора до открытия воздухоподводящих отверстий для сообщения рабочей полости с камерой смешения. При этом клапан подпружинен в осевом направлении, а трубопровод для перепуска воздуха из зарядной полости в рабочую снабжен регулируемым дросселем.

Предлагаемая конструкция клапана в виде полого дифференциального поршня с фланцевым затвором на его конце и размещение его с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри приемной камеры позволяет накапливать атмосферный воздух в рабочей полости и осуществлять импульсную подачу его в камеру смешения водовоздушного эжектора с большой скоростью, что интенсифицирует процесс перемешивания воздуха с водой, за счет создания глубокого вакуума и диспергирования потока воды воздухом.

Наличие зарядной и вакуумной полостей, а также выполнение дифференциального поршня с разными площадями торцевых поверхностей позволяют осуществлять автоматическое возвратно-поступательное перемещение дифференциального поршня и тем самым периодически сообщать рабочую полость с камерой смешения.

Размещение дифференциального поршня в приемной камере с возможностью периодического перекрытия трубопровода для перепуска воздуха из зарядной полости в рабочую, так что ход поршня до перекрытия трубопровода равен ходу поршня до открытия воздухоподводящих отверстий, позволяет одновременно сообщать рабочую полость с камерой смешения и прекращать доступ воздуха в рабочую полость из зарядной полости, что обеспечивает быстрое и полное освобождение рабочей полости от накопившегося в ней воздуха.

Выполнение клапана подпружиненным в осевом направлении позволяет обеспечить герметичное перекрытие рабочей полости в начальный момент запуска устройства, а также плавное торможение поршня и исключить его удары при открытии рабочей полости, что повышает надежность работы устройства.

Наличие регулируемого дросселя, размещенного на трубопроводе для перепуска воздуха из зарядной полости в рабочую, позволяет исключить заклинивание клапана, а также обеспечить плавное регулирование частоты его возвратно-поступательного перемещения и тем самым эффективность аэрации.

На фиг. 1 изображено устройство для аэрации воды, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1.

Устройство для аэрации воды содержит водоподводящий 1 и воздухозаборный 2 трубопроводы и водовоздушный эжектор, состоящий из напорного сопла 3, сообщенного через втулку 4 с водоподводящим трубопроводом 1, камеры смешения 5 с воздухоподводящими отверстиями 6, выполненными в ее стенке, диффузора 7 и цилиндрической приемной камеры 8, герметично охватывающей камеру смешения 5 и сообщенной с воздухозаборным трубопроводом 2. Внутри приемной камеры 8 размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль ее длины клапан, выполненный в виде полого дифференциального поршня 9 с фланцевым затвором 10 на его конце, а на наружной поверхности камеры смешения 5 выполнено седло 11, к которому плотно прижимается фланцевый затвор 10. Клапан разделяет приемную камеру 8 на три полости: зарядную полость 12, сообщенную с воздухозаборным трубопроводом 2, рабочую полость 13, сообщенную с зарядной полостью 12 трубопроводом перепуска воздуха 14, и вакуумную полость 15, ограниченную внутренней поверхностью дифференциального поршня 9 и наружной поверхностью камеры смешения 5. При этом внутренний диаметр зарядной полости превышает внутренний диаметр вакуумной полости, а площадь торцевой поверхности 16 дифференциального поршня 9 со стороны рабочей полости превышает площадь его торцевой поверхности 17 со стороны зарядной полости. Дифференциальный поршень установлен с возможностью попеременного сообщения, при его возвратно-поступательном движении, рабочей 13 и вакуумной 15 полостей с камерой смешения 5 через воздухоподводящие отверстия 6, а также периодического перекрытия трубопровода перепуска воздуха 14, причем ход дифференциального поршня 9 до перекрытия трубопровода перепуска 14 равен ходу фланцевого затвора 10 до открытия воздухоподводящих отверстий 6 для сообщения рабочей полости 13 с камерой смешения 5. Клапан 9 подпружинен в осевом направлении пружиной 18, а трубопровод перепуска воздуха 14 снабжен регулируемым дросселем 19. Устройство снабжено уплотнительными кольцами 20, 21, 22.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени клапан 9 под действием пружины 18 занимает крайнее правое положение, прижимаясь фланцевым затвором 10 к седлу 11 и уплотнительному кольцу 20, перекрывая рабочую полость 13 и сообщая вакуумную полость 15 через воздухоподводящие отверстия 6 с камерой смешения 5. При этом атмосферный воздух через воздухозаборный трубопровод 2 заполняет зарядную полость 12 и по трубопроводу перепуска 14 через дроссель 19 поступает в рабочую полость 13. При подаче воды под давлением по водоподводящему трубопроводу 1 в напорное сопло 3 поток воды ускоряется в нем с образованием глубокого вакуума в камере смешения 5 и вакуумной полости 15, в результате чего происходит процесс вскипания воды и разрушения целостности струи. Благодаря тому, что площадь торцевой поверхности 16 дифференциального поршня 9 со стороны рабочей полости 13 больше площади торцевой поверхности 17 поршня со стороны зарядной полости 12, на поршне возникает перепад сил давления, направленный в сторону зарядной полости, поэтому при достижении заданного вакуума в полости 15 поршень под действием разности сил давления воздуха на площадки 16 и 17 начинает отходить от уплотнительного кольца 20. Как только открывается зазор между фланцевым затвором 10 и седлом 11, давление воздуха распространяется на всю площадь затвора 10, и поршень мгновенно перемещается в крайнее левое положение, при этом одновременно перекрывая трубопровод перепуска 14 и открывая фланцевым затвором 10 воздухоподводящие отверстия 6 для сообщения рабочей полости 13 с камерой смешения 5. При этом прекращается поступление воздуха из зарядной полости 12 через трубопровод перепуска 14 в рабочую полость 13, а накопившейся в рабочей полости воздух через воздухоподводящие отверстия 6 с большой скоростью выходит в камеру смешения 5, осуществляя процесс диспергирования капель воды в потоке эжектируемого воздуха. Перекрытие поршнем 9 трубопровода перепуска 14 прекращает поступление воздуха в рабочую полость 13, обеспечивая быстрое и полное освобождение ее от накопившегося воздуха. Благодаря взаимодействию вскипающего потока воды, выходящего из напорного сопла 3, и воздуха, выходящего с большой скоростью из воздухоподводящих отверстий 6, в камере смешения 5 образуется тонкодиспергированная водовоздушная смесь с сильно развитой площадью межфазового контакта воздуха и воды, что интенсифицирует процесс растворения воздуха в воде. Дифференциальный поршень 9 тормозится в левом положении пружиной 18, благодаря которой осуществляется его плавное торможение и исключаются его удары о втулку 4. После выхлопа воздуха из рабочей полости 13, когда давление в ней снизится почти до вакуумметрического давления в камере смешения 5, меняется знак перепада сил давления на поршень 9 и клапан под действием атмосферного давления воздуха на левый торец 17 и пружины 18 перемещается вправо до упора в седло 11, плотно прижимаясь затвором 10 к уплотнительному кольцу 20. При этом поршень 9 открывает трубопровод перепуска 14, а вакуумная полость 15 сообщается через воздухоподводящие отверстия 6 с камерой смешения 5. Атмосферный воздух через воздухозаборный трубопровод 2, зарядную камеру 12, трубопровод перепуска 14 и регулируемый дроссель 19 поступает в рабочую полость 13, давление в которой при этом повышается. При достижении заданного давления в рабочей полости 13 меняется знак перепада давления на дифференциальный поршень 9, и он перемещается влево. Цикл работы устройства повторяется. Частота возвратно-поступательного перемещения поршня и, следовательно, эффективность аэрации регулируется дросселем 19, при закрытии которого увеличивается время наполнения воздухом рабочей полости до заданного давления и уменьшается частота сообщения с камерой смешения.

Источники информации
1. Сивак В.М., Янушевский Н.Е. Аэраторы для очистки природных и сточных вод. Львов, 1994, стр.74-75.

2. Авторское свидетельство СССР 1390195, МКИ C 02 F 3/20, 1988.

Изобретение относится к устройствам для аэрации воды и может быть использовано при биологической очистке сточных вод, подготовке питьевой воды, а также аэрации воды в водоемах. Вода подается под давлением по трубопроводу 1 в сопло 3, ускоряется в нем с образованием глубокого вакуума в камере смешения 5 и вакуумной полости 15. Атмосферный воздух через воздухозаборный трубопровод 2, зарядную полость 12, трубопровод 14 и дроссель 19 поступает в рабочую полость 13. По достижении заданного давления в полости 13 клапан под действием разности сил давления воздуха на поршень перемещается в крайнее левое положение, одновременно перекрывая трубопровод 14 и открывая отверстия 6, через которые воздух из полости 13 выходит с большой скоростью в камеру смешения 5, осуществляя процесс диспергирования капель воды. После выхода воздуха из полости 13 клапан под действием пружины 18 и давления воздуха на левый торец поршня 9 перемещается вправо до упора в седло 1, плотно прижимаясь затвором 10 к уплотнительному кольцу 20. Цикл повторяется. Технический результат: интенсификация процесса растворения воздуха в воде за счет импульсной аэрации при глубоком вакууме, повышение надежности и упрощение регулирования работы установки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для аэрации воды, содержащее водоподводящий и воздухозаборный трубопроводы, водовоздушный эжектор, состоящий из сообщенного с водоподводящим трубопроводом напорного сопла, камеры смешения с воздухоподводящими отверстиями в ее стенке, диффузора и цилиндрической приемной камеры, герметично охватывающей камеру смешения, а также клапан, отличающееся тем, что клапан выполнен в виде полого дифференциального поршня с фланцевым затвором на его конце и расположенного на наружной поверхности камеры смешения седла и размещен внутри приемной камеры, разделяя ее на зарядную полость, сообщенную с воздухозаборным трубопроводом, рабочую полость, сообщенную с зарядной полостью трубопроводом перепуска воздуха, и вакуумную полость, ограниченную внутренней поверхностью дифференциального поршня и наружной поверхностью камеры смешения, причем площадь торцевой поверхности дифференциального поршня со стороны рабочей полости превышает площадь его торцевой поверхности со стороны зарядной полости, при этом дифференциальный поршень установлен с возможностью попеременного сообщения, при его возвратно-поступательном движении, рабочей и вакуумной полостей через воздухоподводящие отверстия с камерой смешения. 2. Устройство для аэрации воды по п.1, отличающееся тем, что дифференциальный поршень установлен с возможностью периодического перекрытия трубопровода для перепуска воздуха из зарядной полости в рабочую, причем ход поршня до перекрытия трубопровода равен ходу фланцевого затвора до открытия воздухоподводящих отверстий для сообщения рабочей полости с камерой смешения. 3. Устройство для аэрации воды по п.1, отличающееся тем, что клапан подпружинен в осевом направлении. 4. Устройство для аэрации воды по п.1, отличающееся тем, что трубопровод для перепуска воздуха из зарядной полости в рабочую снабжен регулируемым дросселем.