УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК B01F3/04 

Изобретение относится к области аэрации жидкостей, в том числе и со взвесями, и может быть использовано в биологической очистке сточных вод, очистке водоемов, во флотационных установках, в рыбной промышленности, а также во всех случаях, где требуется насыщение жидкости газом, в частности воды кислородом.

Известно устройство для аэрации жидкостей, содержащее горизонтальную напорную трубу, распределитель воздуха в виде сверхзвукового сопла, охваченного цилиндрической обечайкой, сжатый воздух в который подается воздухопроводом с пневмоклапаном, и расположенный в коническом насадке напорной трубы, на срезе которого размещена дополнительная цилиндрическая обечайка.

Известное устройство имеет ряд недостатков:
- энергетически неэффективно использовать для диспергирования и равномерного распределения воздуха в потоке воды два источника энергии - источник сжатого воздуха и источник подачи воды под давлением, из которых первый является спорным с точки зрения целесообразности, конструктивно сложным и достаточно энергетически затратным по потерям компрессором, в то время как второй - целесообразен, поскольку воду под давлением так или иначе подавать в водоем нужно, и для этого служат конструктивно простые и достаточно энергетически эффективные в смысле низких уровней потерь насосы, например центробежные;
- тонкость диспергирования и равномерного распределения пузырьков воздуха в воде при таком способе аэрации, а значит, и эффективность аэрации, ни в коем случае не достигнет уровня диспергирования и распределения, достигаемого при выделении пузырьков воздуха из перенасыщенного раствора воздуха в воде, так называемом "вскипании" воды по всему ее объему. Это происходит в следующем случае: поток воды под давлением с растворенным в ней воздухом, количество которого определяется уровнем растворимости его в жидкости согласно закону Генри-Дальтона, соответствующем уровню давления в потоке, попадает в водоем, где давление в потоке падает до уровня, соответствующего глубине водоема в месте подачи потока, раствор воздуха в воде становится перенасыщенным и происходит единовременное, повсеместное, по всему объему потока выделение воздуха - "вскипание", размеры пузырьков которого определяются макромолекулярным уровнем происходящего процесса.

Недостижимость этого уровня диспергирования и равномерности распределения пузырьков воздуха в объеме потока при "вскипании" в известном устройстве объясняется тем, что газожидкостный поток находится под давлением весьма незначительное время, необходимое для пробега расстояния от среза сверхзвукового сопла до среза конического насадка напорного трубопровода, и в силу скоротечности процесса из-за больших скоростей истечения количество воздуха, успевшего раствориться в воде, незначительно и вряд ли достигает уровня растворимости, определяемого согласно закону Генри-Дальтона давлением, соответствующим глубине водоема на горизонте среза конического насадка напорного трубопровода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее цилиндрическую обечайку и внутреннюю цилиндрическую перегородку, образующие камеру с патрубком ввода газа, установленный по оси камеры вал с перемешивающим устройством, смонтированную на цилиндрической обечайке крышку с отверстиями по концентрической окружности, размещенные на крышке и друг над другом кольцевые пластины с отверстиями, соосные отверстиям крышки, снабженные по периферии вертикальными цилиндрическими стенками с соосными отверстиями, при этом отверстия в наружной вертикальной стенке имеют коническую форму.

Перемешивающее устройство закрыто кожухом с центральным отверстием, имеется электродвигатель (Авт. свид. 1388388 А1, С 02 F 3/16).

Устройство работает следующим образом: газ под давлением подают в камеру, образованную цилиндрической обечайкой и крышкой, и при совмещении отверстий в пластинах и крышке подают в камеру, образованную верхней пластиной с вертикальной цилиндрической стенкой и кожухом, на среднем диаметре, в жидкость, которую вращают перемешивающим устройством с помощью электродвигателя. Также от электродвигателя вращается нижняя пластина с наружной цилиндрической вертикальной стенкой.

Верхняя пластина с внутренней вертикальной цилиндрической стенкой и кожухом не вращаются. Перемешивающее устройство работает как ротор центробежного насоса, засасывает через центральное отверстие кожуха жидкость и отбрасывает ее к периферии и далее через периодически открывающиеся отверстия в вертикальных цилиндрических стенках пластин - в проточный канал.

При проходе через периодически открывающиеся отверстия в крышке и пластинах газ отсекают дискретными порциями и подают на среднем диаметре во вращаемую перемешивающим устройством жидкость, где порции газа смешивают с жидкостью, и при движении жидкости к периферии к цилиндрическим вертикальным стенкам пластин дополнительно сжимают центробежными силами. Далее через периодически открывающиеся отверстия в вертикальных цилиндрических стенках пластин жидкость вместе с дискретными порциями газа выбрасывают в проточный канал. При этом пузырьки газа при смещении отверстий относительно друг друга дополнительно дробят.

Известное устройство имеет ряд недостатков:
- энергетически неэффективное использование для осуществления способа двух источников энергии - источника сжатого газа и источника механической энергии;
- неэффективность аэрации, заключающаяся в том, что тонкость диспергирования газа и равномерность распределения его пузырьков в жидкости подачей дискретных порций и перемешиванием значительно ниже уровня, получаемого при "вскипании" жидкости, перенасыщенной растворенным в ней газом. Это объясняется тем, что жидкость вместе с дискретными порциями газа в ней находится под давлением незначительный отрезок времени, необходимый для пробега от среднего диаметра камеры до периферии, и газ в силу скоротечности процесса не успевает раствориться в жидкости перед попаданием потока в проточный канал.

Кроме этого, для того чтобы обеспечить дискретную подачу и дробление пузырьков газа, необходимо смещение отверстий в пластинах и вертикальных цилиндрических стенках относительно друг друга, а это возможно лишь только в том случае, когда верхняя пластина с внутренней вертикальной цилиндрической стенкой и кожухом не вращается или же в крайнем случае отстает во вращении, к которому побуждают опосредованно перемешивающее устройство и нижняя пластина с наружной вертикальной цилиндрической стенкой, как видно из конструкции.

Из рассмотрения конструкций устройства видно, что возможно только отставание во вращении за счет сил трения кожуха о жидкую среду в проточном канале и скольжения относительно сопрягаемых деталей. В случае загрязнений соединений сопрягаемых деталей вероятен выход устройства из строя: верхняя пластина с сопутствующими ей деталями вращается одновременно с перемешивающим устройством и нижней пластиной.

В результате возможны два случая:
1. газ подается сплошными потоком, и никакого дробления пузырьков газа на выходе в жидкости не происходит, поскольку отверстия все совпадают;
2. отсечены подача газа и выход жидкости в проточный канал.

Технической задачей данного изобретения является повышение эффективности аэрации жидкостей, в том числе и со взвесями, за счет получения более тонко диспергированных пузырьков газа и более равномерного распределения их в объеме жидкости за счет "вскипания" перенасыщенного раствора газа в жидкости и сокращения энергетических затрат на аэрацию путем использования в устройстве для осуществления способа одного источника энергии - источника подачи жидкости под давлением.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для аэрации жидкостей по первому варианту, содержащем камеру с патрубком ввода газа, состоящую из цилиндрической обечайки с днищем и крышкой с отверстиями, внутренней цилиндрической перегородки, соосно ей установленного вала с перемешивающим устройством, насос с приводом, согласно изобретению крышка камеры выполнена в виде полого усеченного конуса с отверстиями по образующей, обращенного вершиной ко входу насоса и размещена в сужающейся к насосу конической части цилиндроконического входного патрубка, соединяющего насос с водоемом или емкостью под залив.

Кроме того, крышка камеры сопряжена с минимальным зазором с перемешивающим устройством, выполненным в виде конической обечайки с длинными замкнутыми по концам прорезями, расположенными под углом к ее образующим и оканчивающейся к входу насоса коническим обтекателем, снабженным на конце перед входом в насос турбинными лопатками, имеющими закрутку, обеспечивающую вращение перемешивающего устройства в направлении вращения ротора вихревого, объемного или лопастного насоса, на выходе которого установлен напорный трубопровод или коллектор с обратным клапаном и коническим насадком на выходе в водоем или емкость, а патрубок ввода газа снабжен нормально закрытым прямого действия пневмоклапаном с демпфером.

По второму варианту техническая задача решается тем, что в устройстве для аэрации жидкостей, содержащем камеру с патрубком ввода газа, состоящую из цилиндрической обечайки с днищем и крышкой с отверстиями, внутренней цилиндрической перегородки, соосно ей установленного вала с перемешивающим устройством, насос с приводом, согласно изобретению крышка камеры выполнена в виде полого усеченного конуса с отверстиями по образующей, обращенного вершиной к входу насоса, и размещена в сужающейся к насосу конической части цилиндроконического входного патрубка, соединяющего насос с водоемом или емкостью под залив, кроме того, крышка камеры сопряжена с минимальным зазором с перемешивающим устройством, выполненным в виде конической обечайки с длинными замкнутыми по концам прорезями, расположенными под углом к ее образующим, и оканчивающейся к входу насоса коническим обтекателем, конец которого соединен с ротором лопастного насоса с помощью жесткой, подвижной, компенсирующей муфты, а входной патрубок на входе в насос снабжен направляющими лопатками, обеспечивающими закручивание потока в направлении, противоположном вращению ротора лопастного насоса, на выходе которого установлен напорный трубопровод или коллектор с обратным клапаном и коническим насадком на выходе в водоем или емкость, а патрубок ввода газа снабжен нормально закрытым прямого действия пневмоклапаном с демпфером.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 изображен внешний общий вид устройства аэрации; на фиг.2 - сечение фрагмента А внешнего общего вида; на фиг.3 - сечение Б-Б турбинной лопатки; на фиг.4 - вид В на перемешивающее устройство в развертке; на фиг.5 - вариант привода (фрагмент Г с фиг. 2) перемешивающего устройства от ротора насоса с помощью кулачково-дисковой плавающей муфты; на фиг.6 - сечение Д-Д направляющей лопатки.

Устройство содержит (см. фиг.1) насос 1 (тип насоса может быть различным: объемным, вихревым, лопастным - центробежным или осевым) с приводом 2. К насосу 1 подсоединен через обратный клапан 3 напорный трубопровод 4 (или коллектор) с коническим насадком 5 на выходе под уровень жидкости в водоеме 6.

На входе насоса 1 установлен цилиндроконический входной патрубок 7, соединяющий насос 1 через трубопровод 8 с водоемом 9, уровень жидкости в котором и высота установки насоса 1 относительно водоема 9 позволяют держать насос 1 под минимальным "заливом". Как вариант: водоемы 6 и 9 могут быть одним общим водоемом.

В цилиндроконическом входном патрубке 7 (см. фиг.2) размещена камера 10 с патрубком ввода газа 11, с пневмоклапаном 12, в направляющей втулке 13 которого установлен с возможностью осевого перемещения клапан 14, нагруженный пружиной 15, поджатой гайкой 16. Соосно клапану 14 установлен демпфер 17. Камера 10 образована цилиндрической обечайкой 18 с глухим днищем 19, внутренней цилиндрической перегородкой 20, крышкой 21 в виде полого усеченного конуса. Камера 10 удерживается во входном патрубке 7 пилонами 22. На крышке 21 имеется определенное число отверстий 23 (см. также фиг.4), расположенных по образующим крышки 21. По оси внутренней цилиндрической перегородки 20 установлен с возможностью вращения и фиксацией от перемещений в осевом направлении вал 24 с перемешивающим устройством 25, имеющим полый усеченный конус 26, сопрягаемый с минимальным зазором с крышкой 21, и обтекатель 27, оснащенный турбинными лопатками 28, закрутка которых направлена против направления вращения ротора 29 насоса 1 в случае лопастного, в других случаях - в любом направлении. В качестве варианта (см. фиг.5) в случае применения лопастного насоса 1 применяется соединение перемешивающего устройства 25 с ротором 29 насоса 1 путем установки жесткой подвижной компенсирующей муфты 30, допускающей осевое, радиальное и угловое относительные смещения соединяемых осей. При этом турбинные лопатки 28 не устанавливаются, а устанавливаются направляющие лопатки 31 на входном патрубке 7, имеющие закрутку против направления вращения ротора 29 насоса 1.

На конусе 26 перемешивающего устройства 25 имеются замкнутые по концам прорези 32 по винтовой линии вдоль образующих конуса 26 (на виде В, см. фиг. 4, они изображены на развертке конуса 26 прямыми под некоторым углом к образующим конуса 26).

Камера 1 расположена своей цилиндрической обечайкой 18 в цилиндрической части 33 входного патрубка 7 и крышкой 21 в конической части 34 входного патрубка 7.

Устройство работает следующим образом. Поток жидкости, засасываемый насосом 1 из емкости 9 через трубопровод 8 поступает в цилиндроконический входной патрубок 7, в цилиндрической части 33 которого размещается камера 10 своей цилиндрической обечайкой 18, переходящая далее в коническую часть 34 входного патрубка 7. При этом между камерой 10 и входным патрубком 7 образуется цилиндроконфузорный кольцевой канал по ходу потока. Площадь на выходе из этого канала выбирается такой величины, чтобы при отсутствии расхода газа через камеру 10 в потоке образовывалось за выходом из канала разрежение ("холостое"), равное или несколько меньшее, чем кавитационный запас насоса 1. За каналом коническая часть 34 входного патрубка 7, коническая крышка 21 камеры 10 и конус 26 с обтекателем 27 перемешивающего устройства 25 взаимным своим расположением образуют кольцевой диффузорный канал, сходящийся на цилиндрическом входном канале входа насоса 1.

В диффузорном канале при работе насоса 1 за счет его всасывания образуется разрежение, за счет которого газ из источника или воздух из атмосферы поступает по патрубку ввода газа 11 через пневмоклапан 12 в камеру 10, из которой по отверстиям 23 крышки 21 камеры 10 и далее через прорези 32 конуса 26 перемешивающего устройства 25, дискретными порциями, создаваемыми периодическим перекрытием канала: отверстия 23 - прорези 32; вращением перемешивающего устройства 25 подается в поток.

Также перемешивающее устройство 25 служит для перемешивания газа и жидкости. Поток разгоняется вначале в цилиндроконфузорном кольцевом канале, а затем при течении в диффузорном кольцевом канале подхватывает дискретные порции газа, которые в виде пузырьков равномерно распределяются в потоке. Образуется практически гомогенный в макрообъеме по отношению к насосу 1 поток газожидкостной смеси, скорость которого практически не меняется от выхода из цилиндроконфузорного кольцевого канала, несмотря на рост объемного расхода потока за счет расхода газа по ходу диффузорного кольцевого канала. Это объясняется тем, что импульс (количество движения) потока жидкости практически не меняется с добавлением в него газа, поскольку объемный вес газа в ≈10³ раз меньше объемного веса жидкости. Исходя из этих соображений выбирается геометрия каналов. На выходе из диффузорного кольцевого канала перед входом в насос 1 поток газожидкостной смеси обтекает в относительном движении турбинные лопатки 28, которыми оснащен обтекатель 27 перемешивающего устройства 25, тем самым приводя его во вращение в том же направлении, что и ротор 29 насоса 1 (лопастного). Сходя с турбинных лопаток 28, поток в абсолютном движении закручивается против вращения ротора 29 насоса 1 (лопастного), и тем самым увеличивает прирост импульса потока в насосе 1, компенсируя в определенной мере падение напора потока по выходе из насоса 1, вызванное низким удельным объемным весом газожидкостной смеси по сравнению с жидкостью.

В варианте применения для привода перемешивающего устройства 25 соединения с ротором 29 насоса 1 (лопастного) посредством кулачково-дисковой плавающей муфты 30 турбинные лопатки 28 отсутствуют, и вместо них на входном патрубке 7 перед входом в насос 1 (лопастной) установлены направляющие лопатки 31, закручивающие поток для компенсации потери напора против направления вращения ротора 29 насоса 1. В случае применения вихревого или объемного насосов 1 эти рассуждения теряют силу, и турбинные лопатки 28 служат только для вращения перемешивающего устройства 25. Закрутки потока для компенсации потери напора не требуется, вихревой или объемный насос 1 обеспечивает достаточно высокий напор по сравнению с лопастным насосом 1.

Гомогенная газожидкостная смесь устойчиво всасывается насосом 1, в котором далее ее давление повышается. При течении газожидкостной смеси под давлением от выхода насоса 1 по напорному трубопроводу 4 до среза конического насадка 5 газ растворяется в жидкости. Время, необходимое для этого, определяется длиной и сечением напорного трубопровода 4. Часть газа, не растворившегося в жидкости, остается в пузырьках. Соотношение между частью растворившегося и частью нерастворившегося газа в жидкости, определяется расходом газа через пневмоклапан 12. Клапан 14, нагруженный пружиной 15, под воздействием разрежения открывает проходное сечение пневмоклапана 12 соответственно усилию пружины 15, которое регулируется гайкой 16 и поддерживает разрежение на заданном уровне. Это происходит следующим образом: при снижении уровня разрежения клапан 14 под воздействием пружины 15 прикрывает проходное сечение и уменьшает расход газа, восстанавливая уровень разрежения. При повышении уровня разрежения клапан 14 приоткрывает проходное сечение и увеличивает расход газа. Соответственно величине проходного сечения определяется расход газа. При случайном образовании локальной сплошности газа в газожидкостном потоке на входе насоса 1, перекрывающем входной канал насоса 1, происходит срыв потока, всасывающая способность насоса 1 срывается, в диффузорном кольцевом канале разрежение в потоке исчезает, клапан 14 под воздействием пружины 15 перекрывает проходное сечение пневмоклапана 12 и расход газа отсекается. Поскольку насос 1 находится под "заливом", жидкость поступает в насос 1, и нормальное положение восстанавливается, насос 1 обретает всасывающую способность, но возникает разрежение, равное "холостому", и под его воздействием клапан 14 откроет проходное сечение пневмоклапана 12 более чем в нормальном режиме, расход газа будет больше, "залповым", и может снова возникнуть опасность срыва потока в насос 1. То есть появляются все предпосылки для возникновения автоколебаний системы: насос 1 - диффузорный кольцевой канал - камера 10 - пневмоклапан 12 - поток. Для предотвращения этого явления на клапан 14 установлен демпфер 17, сглаживающий колебания клапана 14. Прорези 32 на конусе 26 перемешивающего устройства 25 расположены по винтовой линии с тем, чтобы обеспечить максимально возможную дистанцию между пузырьками дискретных порций газа как в окружном направлении, так и по ходу потока, а также для того, чтобы возможные загрязнения отверстий 23 собрать и сдвинуть водном направлении к входу насоса 1, где они, подхваченные потоком, будут унесены далее.

Устройство в целом конструктивно обеспечено для надежной работы с жидкостями со взвесями, перекачку которых допускает конструкция насоса 1. Радиальный размер минимального проходного сечения цилиндроконфузорного канала, который гипотетически может служить возможным препятствием для прохода взвеси, в принципе соизмерим с минимальными проходными сечениями в тракте насоса 1.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в биологической очистке сточных вод, очистке водоемов, во флотационных установках, в рыбной промышленности, а также в других отраслях, где требуется насыщение жидкости газом.

Использование изобретения в практике позволит получить аэрацию жидкостей с высокоэффективным потенциалом химико-биологической и флотационной активности газовой составляющей газожидкостной смеси при экономичном использовании энергии и применении недорогостоящего несложного оборудования.

Изобретение относится к области аэрации жидкостей, в том числе и со взвесями, и может быть использовано при биологической очистке сточных вод, очистке водоемов, во флотационных установках, в рыбной промышленности. Устройство содержит камеру из цилиндрической обечайки с днищем и крышкой в виде полого усеченного конуса с отверстиями по образующей, обращенного вершиной ко входу насоса и размещенной в сужающейся к насосу части цилиндроконического входного патрубка, соединяющего насос с водоемом или емкостью под залив. Перемешивающее устройство выполнено в виде конической обечайки с длинными прорезями, расположенными под углом к образующим, оканчивающейся ко входу насоса коническим обтекателем с турбинными лопатками. По второму варианту конец обтекателя перемешивающего устройства не имеет турбинных лопаток и напрямую соединен с ротором лопастного насоса с помощью жесткой подвижной компенсирующей муфты. Технический результат состоит в повышении эффективности аэрации жидкостей, в том числе и со взвесями. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для аэрации жидкостей, содержащее камеру с патрубком ввода газа, состоящую из цилиндрической обечайки с днищем и крышкой с отверстиями, внутренней цилиндрической перегородки, соосно с ней установленного вала с перемешивающим устройством, насос с приводом, отличающееся тем, что крышка камеры выполнена в виде полого усеченного конуса с отверстиями по образующей, обращенного вершиной к входу насоса, и размещена в сужающейся к насосу конической части цилиндроконического входного патрубка, соединяющего насос с водоемом или емкостью под залив, кроме того, крышка камеры сопряжена с минимальным зазором с перемешивающим устройством, выполненным в виде конической обечайки с длинными замкнутыми по концам прорезями, расположенными под углом к ее образующим, оканчивающейся ко входу насоса коническим обтекателем, снабженным на конце перед входом в насос турбинными лопатками, обеспечивающими вращение перемешивающего устройства в направлении вращения ротора лопастного насоса и в любом направлении в случае вихревого либо объемного насоса, на выходе которых установлен напорный трубопровод или коллектор с обратным клапаном. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что патрубок ввода газа снабжен нормально закрытым прямого действия пневмоклапаном с демпфером. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что напорный трубопровод или коллектор на выходе в водоем или емкость снабжен коническим насадком. 4. Устройство для аэрации жидкостей, содержащее камеру с патрубком ввода газа, состоящую из цилиндрической обечайки с днищем и крышкой с отверстиями, внутренней цилиндрической перегородки, соосно с ней установленного вала с перемешивающим устройством, насос с приводом, отличающееся тем, что крышка камеры выполнена в виде полого усеченного конуса с отверстиями по его образующей, обращенного вершиной к входу насоса, и размещена в сужающейся к насосу конической части цилиндроконического входного патрубка, соединяющего насос с водоемом или емкостью под залив, кроме того, крышка камеры сопряжена с минимальным зазором с перемешивающим устройством, выполненным в виде конической обечайки с длинными замкнутыми по концам прорезями, расположенными под углом к ее образующим, оканчивающейся ко входу насоса коническим обтекателем, конец которого соединен с ротором лопастного насоса с помощью жесткой подвижной компенсирующей муфты, а входной патрубок снабжен на входе в насос направляющими лопатками, обеспечивающими закручивание потока в направлении, противоположном вращению ротора лопастного насоса, на выходе которого установлен напорный трубопровод или коллектор с обратным клапаном. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что патрубок ввода газа снабжен нормально закрытым прямого действия пневмоклапаном с демпфером. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что напорный трубопровод или коллектор на выходе в водоем или емкость снабжен коническим насадком.