МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЭРЛИФТ Российский патент 2003 года по МПК F04F1/18 

Изобретение относится к устройствам для подъема жидкости на поверхность из подземных инженерных коммуникаций с ограниченными углублениями в районе сбора воды, а именно к многоступенчатым эрлифтам, и может быть использовано в энергетике, сельском хозяйстве, в металлургии, строительной, горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Известен низконапорный водоподъемник [1], содержащий заборный, напорный и газовый патрубки, рабочую камеру, перепускной трубопровод с установленными на нем наружным и внутренним стаканами, разноплечным дугообразным каналом, сообщающим придонную зону внутреннего стакана и кольцевую полость между стаканами. Недостатком данного устройства является цикличность его работы, а при малых заглублениях заборного патрубка необходимо наличие устройства для одностороннего прохода жидкости, что снижает экономичность, усложняет условия обслуживания и эксплуатации подъемника.

Известен подъемник двухфазной среды [2], содержащий резервуар, соосные трубы, установленные одна в другой с образованием кольцевых каналов, нижняя часть которых размещена в резервуаре и оснащена кольцевыми смесителями, подключенными к источнику активной среды. Недостатком этого подъемника является снижение экономичности его работы по мере опорожнения резервуара и понижения в нем уровня жидкой среды.

Известен многоступенчатый пневматический водоподъемник [3], содержащий рабочие камеры со всасывающими отверстиями, напорные трубопроводы, соединенные с камерами, и установленные последовательно, друг за другом, воздушные трубопроводы, соединенные с источником давления, при этом рабочие камеры снабжены водозаборниками, выполненными в виде цилиндров с обратными клапанами.

Данное техническое решение позволяет откачивать воду из водосборников с малыми глубинами (0,3-0,5 м), но и ему присущи вышеотмеченные недостатки, так как подъемник работает в цикличном режиме, для которого требуется дополнительное обслуживание распределительного устройства, а также системы клапанов и мембран.

Наиболее близким к заявленному изобретению является многоступенчатый эрлифт [4], содержащий ступени, каждая из которых выполнена в виде подъемной трубы со смесителем и воздухоотделителя с накопительной емкостью, связанной при помощи нисходящего трубопровода с приемным резервуаром последующей ступени.

Однако данный эрлифт обладает присущими принятому конструктивному исполнению недостатками, такими как затрудненная откачка воды из малозаглубленных водосборников, установленных в труднодоступных для их разработки и углубления мест, а также неполное обеспечение приспособлениями для сглаживания в нисходящих трубопроводах колебаний уровня воды, что приводит к перерасходу энергоносителя и, как следствие, к снижению экономичности работы всей установки в целом. Дополнительно, в прототипе при автоматическом распределении подачи сжатого воздуха в ступени эрлифта не предусматривается визуальное или иное наблюдение и корректировка режимов работы установки, что усложняет условия эксплуатации и обслуживания.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является повышение экономичности работы и улучшение условий эксплуатации при откачке и подъеме жидкости из водосборников с малыми глубинами. Указанный эффект достигается тем, что приемный резервуар каждой ступени эрлифта, начиная со второй, снабжен вертикальной трубой, нижний конец которой сообщен с полостью приемного резервуара, а верхний конец, через дроссельное устройство, с атмосферой и высота каждой вертикальной трубы всегда больше высоты подъемной трубы предшествующей ступени, причем нижние концы вертикальных труб первых двух-трех ступеней расположены на одном постоянном горизонте, а нижние концы вертикальных труб остальных последующих ступеней - на другом постоянном горизонте, при этом для всех ступеней соблюдаются условия постоянства коэффициента подъема гидроаэросмеси,
то есть
k_z=h_п1/h_з1=h_п2/h_з2=......=h_пi/h_зi, (1)
где k_z - коэффициент подъема гидроаэросмеси;
h_пi - высота подъема жидкости i-й ступени, то есть разница в геометрических отметках верхнего торца i-й подъемной трубы и уровня воды в i-й вертикальной трубе, а для 1-й ступени - в водосборнике, м;
h_зi - величина заглубления i-й ступени, то есть разница в геометрических отметках уровня воды в i-й вертикальной трубе и горизонта верхнего яруса аэрирующих сопел в i-м смесителе, начиная со второго, а для 1-й ступени - глубина погружения верхнего яруса аэрирующих сопел в водосборнике, м.

Следовательно, технический результат изобретения выражается в обеспечении ступенчатого подъема жидкости из малозаглубленных водосборников с равными для всех ступеней удельными приведенными расходами аэрирующего воздуха на создание гидроаэросмеси, в гашении амплитуд пульсаций расходов воды, что снижает непроизводительные энергозатраты на подъем одной единицы жидкости, а также в возможности выполнять визуальный или иной контроль за эффективностью работы каждой ступени.

Как правило, предлагаемый многоступенчатый эрлифт предназначен для откачки жидкости или взвесей из затопленных дрен, инфильтрующих галерей, подземных каналов и т.п. на высоту не более 10-25 м. Причем, в большинстве случаев, наиболее низкая точка водосбора (естественное углубление, зумпф, продольная канава и т.д.) удалена от вертикального штрека, выходящего на поверхность, и, по ряду причин, нет возможности выполнить необходимое углубление в точке водосбора. Поэтому исходной предпосылкой при расчете эрлифта является располагаемая глубина в точке водосбора Н, которая обычно составляет 0,3-0,5 м. В зависимости от конструкции водозаборника и смесителя, расчетная величина заглубления 1-й ступени эрлифта h_з1 будет несколько меньше располагаемой глубины водосборника Н, но она в конечном счете является отправной точкой гидравлического расчета многоступенчатого эрлифта.

Опытным путем на стендовой установке эрлифта, для диапазона его производительности по воде между максимально возможной и максимально экономичной после обработки экспериментальных данных, получена зависимость вида:
ε = akвz

По данным [5] , [6] (для эрлифтов с неограниченным заглублением) и по материалам стендовых испытаний (для эрлифтов с ограниченным заглублением) установлено, что наиболее эффективная работа эрлифта наблюдается при k_z= 0,5-1,0.

Для каждой конкретной ситуации конструктивная компоновка ступеней эрлифта выполняется индивидуально, но, при всей многовариантности реализации этого технического решения, определяющими факторами являются такие, как правильно выбранные компоновки при подъеме воды первыми ступенями из малозаглубленных зумпфов, а также эффективное гашение пульсаций расходов в последующих ступенях подъема.

В результате конструктивных проработок и опытных исследований установлено, что "мертвые" непроизводительные зоны в нижней части подъемных труб для первых ступеней не превышают 55-70 мм, а в верхней части подъемные трубы выступают над дном накопительных емкостей на 25-30 мм. Все это обеспечивает надежную одностороннюю проходимость гидроаэросмеси в каждой ступени.

Для отслеживания и визуального наблюдения за колебанием уровня в вертикальных трубах как вариант решения может послужить стеклянная водомерная трубка длиной 0,5-1,0 м, а в качестве дроссельного устройства - воздушный вентиль на съемной крышке каждой вертикальной трубы, при этом под крышкой возможна установка в воздушном пространстве внутри верхней части вертикальной трубы регулируемых объемов, в виде стаканов, для настройки конкретной ступени под собственную античастоту колебаний.

На чертеже показана схема многоступенчатого эрлифта, продольный разрез. Эрлифт содержит ступени, каждая из которых выполнена в виде подъемных труб 1 со смесителями 2 и воздухоотделителями 3 с накопительными емкостями 4, связанными при помощи нисходящих трубопроводов 5 с приемными резервуарами 6. Приемные резервуары 6, начиная со 2-й ступени, снабжены вертикальными трубами 7 с дроссельными устройствами 8. К каждому смесителю 2 подведены трубопроводы 9 от пульта распределения сжатого воздуха 10.

Весь многоступенчатый эрлифт может состоять из одной, двух и более групп ступеней, но в каждой группе смесители 2 в приемных резервуарах 6 расположены на одном горизонте, а коэффициенты подъема k_z вcex ступеней равны между собой. Группы связаны между собой горизонтальными водоводами 11, при этом 1-я группа, состоящая из 2-3 ступеней, размещена непосредственно в водосборнике 12 (зумпф, канава, углубление и т.д.), расположенного на наиболее низкой отметке обезвоживаемого сооружения.

Многоступенчатый эрлифт работает следующим образом. От пульта распределения сжатого воздуха 10 по трубопроводам 9 подают сжатый воздух с соответствующими параметрами для каждой ступени, после чего в смесителях 2 образуется гидроаэросмесь, которая движется вверх по подъемным трубам 1, деаэрируется в воздухоотделителях 3 и, далее в сплошной фазе, через накопительные емкости 4 и нисходящие трубопроводы 5 поступает в приемные резервуары 6. Приемным резервуарам для первой ступени является водосборник 12 глубиной Н.

По мере заполнения ступеней водой в водомерных стеклах (на чертеже не показаны) вертикальных труб 7 изменением подачи воздуха индексируют уровни столбов жидкости, соответствующие расчетным h_з1, h_з2, h_з3 и т.д., а регулировкой дроссельными устройствами 8 гасят нежелательные автоколебательные процессы. После подъема гидроаэросмеси на проектную высоту, последняя деаэрируется, а жидкость, по нисходящему трубопроводу 5 замыкающей ступени, сбрасывается в отводящие водоводы для последующего транспортирования.

Примеры расчета многоступенчатого эрлифта приведены ниже.

Пример 1. Необходимо предварительно скомпоновать многоступенчатый эрлифт в горизонтальном подъемном штреке (смотри чертеж, группа I) с высотой подъема воды 1,6 м из зумпфа с величиной заглубления h_з1=0,4 м.

Для различных значений числа ступеней п_ст=1-7 методом последовательных приближений определяют величину приращения подъема на каждую ступень Δh_пi при условии постоянства коэффициента подъема k_z в каждой комбинации п_ст. С использованием зависимости (2) вычисляют оптимальные удельные расходы воздуха ε. Результаты расчетов приведены в таблице.

Анализ расчетных данных свидетельствует, что при увеличении числа ступеней суммарное потребление удельных расходов воздуха асимптотически снижается и окончательный вариант компоновки принимают после технико-экономических расчетов с учетом возможности размещения группы ступеней в существующем водосборнике.

Пример 2. Требуется определить число ступеней эрлифтной установки с k_z= 1,0, состоящей из двух групп ступеней, при подъеме воды на 10,0 м из зумпфа с величиной заглубления h_z1=0,45 м, вмещающий в себя 2 ступени. При расчете в первом приближении высота выступа подъемной трубы над дном накопительной емкости всех ступеней не учитывается.

а) I-я группа (зумпф в удалении от вертикального штрека)
h_з1=0,45 м;
h_з2=h_з1+h_п1=0,90 м;
h_п1=h_з1•k_z=0,45 м;
h_п2=h_з2•k_z=0,90 м;
б) II-группа ступеней (на полу в проекции вертикального штрека)
h_з3=h_з2-0,45+h_п2=1,35 м;
h_з4=h_з3+h_п3=2,70 м;
h_з5=h_з4+h_п4=5,40 м;
h_п3=h_з3•k_z=1,35 м;
h_п4=h_з4•k_z=2,70 м;
h_п5=h_з5•k_z=5,40 м;
в) общая высота подъема жидкости эрлифтной установкой составляет h_п5+h_з5= 10,8 м, то есть для решения поставленной задачи достаточно пятиступенчатого эрлифта или п_ст=5.

Таким образом, предлагаемая конструкция многоступенчатого эрлифта позволяет откачивать жидкость из водосборников с малыми глубинами с наперед заданной экономичностью, а доступный контроль за режимами работы каждой ступени улучшает условия эксплуатации.

В настоящее время на Красноярской ТЭЦ-2 разработана рабочая документация многоступенчатого эрлифта и выполняется поочередная оснастка подземных кабельных каналов индивидуальными эрлифтными установками для непрерывной откачки грунтовых фильтрационных вод.

Источники инфомации
1. Низконапорный водоподъемник. Н.В. Лисовский. Авторское свидетельство СССР 1712670, кл. F 04 F 1/12, заявка 4782735/29 от 04.12.89 г.

2. Подъемник двухфазной среды. Г.М. Маслов. Патент Российской Федерации 2002126, кл. F 04 F 1/00, заявка 4834892 от 05.06.90 г.

3. Многоступенчатый пневматический водоподъемник. Б.В. Войцеховский и др. Патент Российской Федерации 1831591, кл. F 04 F 1/12, заявка 5023728/29 от 05.09.91 г.

4. Многоступенчатый эрлифт. В. Г. Гейер и др. Авторское свидетельство СССР 909346, М.кл³. F 04 F 1/18, заявка 2820113/25-06 от 24.09.79 г.

5. Смолдырев А.Е. Гидро- и пневмотранспорт в металлургии. - М.: Металлургия, 1985 - 280 с.: ил.

6. Цеклаури Д.С. Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки. - М.: Стройиздат, 1970. - 256 с.: ил.

Изобретение предназначено для использования в энергетике, строительной и горнодобывающей промышленности. Эрлифт содержит ступени. Приемный резервуар каждой ступени, начиная со второй, снабжен вертикальной трубой. Нижний конец последней сообщен с полостью приемного резервуара. Верхний конец вертикальной трубы сообщен через дроссельное устройство с атмосферой. Высота каждой вертикальной трубы всегда больше высоты подъемной трубы предшествующей ступени. Нижние концы вертикальных труб первых двух - трех ступеней расположены на одном постоянном горизонте. Обеспечивается ступенчатый подъем жидкости из малозаглубленных водосборников, снижаются энергозатраты на подъем одной единицы жидкости. 1 ил., 1 табл.

Многоступенчатый эрлифт, содержащий ступени, каждая из которых выполнена в виде подъемной трубы со смесителем и воздухоотделителя с накопительной емкостью, связанной при помощи нисходящего трубопровода с приемным резервуаром последующей ступени, отличающийся тем, что приемный резервуар каждой ступени, начиная со второй, снабжен вертикальной трубой, нижний конец которой сообщен с полостью приемного резервуара, а верхний конец через дроссельное устройство - с атмосферой, и высота каждой вертикальной трубы всегда больше высоты подъемной трубы предшествующей ступени, причем нижние концы вертикальных труб первых двух-трех ступеней расположены на одном постоянном горизонте, а нижние концы вертикальных труб последующих ступеней - на другом постоянном горизонте, при этом для всех ступеней соблюдаются условия
k_z=h_n1/h₃₁=h_n2/h₃₂=.......=h_ni/h_3i,
где k_z - коэффициент подъема гидроаэросмеси;
h_ni - высота подъема жидкости i-й ступени, т.е. разница в геометрических отметках верхнего торца i-й подъемной трубы и уровня воды в i-й вертикальной трубе, м;
h_n1 - высота подъема жидкости 1-й ступени, т.е. разница в геометрических отметках верхнего торца 1-ой подъемной трубы и свободной поверхности воды в водосборнике, м;
h_3i - величина заглубления i-й ступени, т.е. разница в геометрических отметках уровня воды в i-й вертикальной трубе и горизонта верхнего яруса аэрирующих сопел в i-м смесителе, м;
h₃₁ - величина заглубления 1-й ступени, т.е. разница в геометрических отметках свободной поверхности воды в водосборнике и горизонта верхнего яруса аэрирующих сопел в смесителе 1-й ступени, м;
i= 2, 3, 4, . .. - порядковый номер ступеней, оснащенных вертикальными трубами.