РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК E03B11/00 E03B7/04 B65D88/00 

Изобретение относится к конструкциям резервуаров запаса чистой воды, сжиженных газов, жидкого топлива и других жидкостей, для которых образование застойных зон жидкости в резервуарах является нежелательным. Известна конструкция резервуара для чистой питьевой воды с камерой фильтров очистки воздуха, поступающего в резервуар [1]. Внутри резервуара по его оси расположена коаксиальная цилиндрическая циркуляционная опорная башня с окнами в нижней части для пропуска воды, при этом камера с фильтрами очистки воздуха установлена в верхней части башни. Башня выполнена из монолитного железобетона или из сборных железобетонных блоков-тюбингов. Часть блоков-тюбингов имеет переливные окна расчетного поперечного сечения, которые предназначены для пропуска воды внутрь башни при ее отборе из резервуара через воронку, установленную в нижней части башни (на дне резервуара). Переливные окна в стене башни предусмотрены по всей ее высоте, а их расположение способствует перемешиванию воды без образования застойных зон. Блоки-тюбинги между собой соединены стальными шпильками с гайками, которые защищены от коррозии цементно-песчаным раствором. Для повышения жесткости резервуара стены башни могут быть соединены с наружными стенами резервуара горизонтальными связями, равномерно расположенными по периметру сооружения.

Недостатком данной конструкции резервуара с циркуляционной опорной башней является отсутствие в резервуаре приямка для установки в нем водозаборной воронки. Наличие такого приямка позволило бы обеспечить более надежную работу насосов, откачивающих воду из резервуара, и сократило бы «мертвый» объем воды в резервуаре, т.е. тот остаточный объем воды в резервуаре, при котором насосы автоматически отключаются во избежание попадания в них воздуха.

Известной является также конструкция резервуара запаса питьевой воды [2], снабженного цилиндрической циркуляционной опорной башней, установленной коаксиально в его полости, которая может иметь, при необходимости, в своей верхней части (на покрытии резервуара) помещение для размещения фильтров-поглотителей, воздухопроводов, задвижек управления, контрольно-измерительной аппаратуры или оборудования, предназначенного для дополнительной очистки, минерализации или обеззараживания воды, хранящейся в резервуаре. Башня выполнена, например, из широко распространенных в подземном тоннелестроении и шахтном строительстве сборных железобетонных блоков-тюбингов, которые соединяются между собой при помощи стальных шпилек с гайками. По высоте башня разделена на две камеры: приемную (нижнюю) и заборную (верхнюю). Разделение башни выполнено при помощи монолитной железобетонной горизонтальной диафрагмы. Между стеной башни и наружными стенами резервуара равномерно по периметру окружностей установлены жесткие горизонтальные связи (например, металлические балки), являющиеся монтажными связями (на период возведения башни) и повышающие прочность и сейсмостойкость сооружения в целом. Высотные отметки установки связей и диафрагмы совпадают.

Монолитная железобетонная несущая диафрагма, разделяющая верхнюю и нижнюю камеру, имеет отверстие небольшого диаметра, предназначенное для выпуска воздуха из нижней камеры в верхнюю (при заполнении резервуара) и для сброса остатков воды из верхней камеры в нижнюю (при опорожнении резервуара). На диафрагме выполняется фундамент под переливной трубопровод с воронкой. Трубопровод и воронка устанавливаются по оси башни и крепятся к ее стенам хомутами или растяжками. Трубопровод подачи воды в резервуар заводится через отверстие в стене башни. Функции циркуляционных перегородок для питьевой воды и опорной конструкции для элементов покрытия резервуаров выполняет коаксиальная цилиндрическая опорная башня, которая установлена в вертикальном цилиндрическом резервуаре. На отметке верха переливной воронки, по периметру стен башни, в блоках-тюбингах предусмотрены переливные окна для пропуска воды из резервуара в заборную (верхнюю) камеру башни. Такие же отверстия предусмотрены и в приемной (нижней) камере. Они предназначены для перелива воды из башни в резервуар. В период прекращения подачи воды по трубопроводу забор ее из резервуара осуществляется по трубопроводу через водозаборную воронку, которая установлена на дне приямка. При работе резервуара вода попадает в циркуляционную башню резервуара (в ее нижнюю камеру), далее через нижние переливные окна заполняет резервуар. Уровень воды поднимается одновременно в приемной камере и в резервуаре. Воздух из нижней камеры вытесняется в верхнюю камеру сквозь небольшое отверстие в горизонтальной диафрагме жесткости. Когда уровень воды в резервуаре достигнет верхних переливных отверстий в башне, вода заполнит ее полностью. Далее, полностью заполнив резервуар, вода через воронку на переливном трубопроводе направляется самотеком в следующий (например, расходный) резервуар. Таким образом происходит непрерывный водообмен и полное вытеснение хранившейся воды в резервуаре на свежую, постоянно поступающую воду. По сути дела, в резервуаре запаса питьевой воды практически полностью исключается необходимость контроля за длительностью хранения воды в резервуаре, поскольку вода непрерывно вытесняется из резервуара свежепоступающей водой. Но это возможно только при непрерывном отборе воды потребителю, что вполне естественно.

Наиболее близким к данному изобретению является резервуар [2], принятый авторами данного изобретения за прототип. Резервуар имеет коаксиальную циркуляционную опорную башню, в стене которой предусмотрены окна для перелива жидкости из резервуара в башню, и содержит ввод жидкости в резервуар и отбор жидкости из резервуара. Недостатком данной конструкции резервуара является отсутствие возможности забора воды одновременно из всех зон внутреннего объема резервуара (вне башни) кроме придонного пространства, поскольку переливные окна предусмотрены только на уровне дна резервуара, а также на отметке максимально возможного уровня воды в резервуаре. Резервуар предназначен для работы, в основном, в каскадно-переливной системе резервуаров запаса питьевой воды. В такой системе резервуаров запаса воды только после заполнения резервуара до отметки максимального уровня в верхней камере башни вода начинает перетекать в следующий резервуар, находящийся в данной «цепочке» резервуаров.

Задачей изобретения является создание такой конструкции резервуара для жидкостей, которая бы обладала следующими преимуществами:

а) давала бы возможность максимально сократить (или полностью исключить) так называемый «мертвый» запас жидкости, неизбежно остающейся в резервуаре после его опорожнения с помощью насосного оборудования;

б) позволяла бы в любой момент работы резервуара производить отбор жидкости из внутреннего объема как башни, так и резервуара, но при этом исключалась бы возможность образования «застойных» зон жидкости как внутри башни, так и внутри резервуара;

в) была бы возможность, при необходимости, путем соответствующего расположения или концентрации переливных окон в нужной зоне производить отбор жидкости преимущественно из любой (верхней, средней или нижней) из зон внутреннего объема резервуара;

г) при нормальной работе резервуара происходило бы одновременное понижение уровней жидкости как внутри башни, так и внутри резервуара, что позволило бы исключить появление разности давлений жидкости на стены башни резервуара изнутри и снаружи.

Решить указанные задачи и устранить вышеперечисленные недостатки, характерные для прототипа, предлагается тем, что в изобретении резервуар для жидкости содержит ввод жидкости в резервуар и отбор жидкости из резервуара, коаксиальную циркуляционную опорную башню, в стене которой предусмотрены окна для перелива жидкости из резервуара в башню, нижняя часть указанной башни заглублена в днище резервуара и образует приямок для отбора жидкости из резервуара, указанные окна расположены в шахматном порядке по всей высоте башни со стороны, противоположной и максимально удаленной от места ввода жидкости в резервуар, при этом места установки этих окон и их количество по высоте башни подобраны таким образом, что при отборе жидкости из башни исключено образование застойных зон жидкости в резервуаре.

Сущность изобретения раскрыта на фиг.1-7, где на фиг.1 представлен вертикальный поперечный разрез 1-1 резервуара для жидкости по изобретению; на фиг.2 - вид по а-а (план резервуара); фиг.3 - вид по б-б (в плане); на фиг.4 представлена развертка стен башни с расположением переливных окон для преимущественного отбора жидкости из ее верхней зоны; на фиг.5 - то же, для преимущественного отбора жидкости из ее нижней зоны резервуара; на фиг.6 и 7 - расчетные гидравлические схемы резервуара и башни для подбора оптимальных геометрических параметров резервуара, башни, сечений переливных окон и всасывающего трубопровода обвязки резервуара.

Принятые обозначения на фиг.1-5:

1 - наружные стены резервуара; 2 - циркуляционная опорная башня; 3 - приямок; 4 - устройство (воронка) для забора жидкости из резервуара; 5 - грязевой приямок; 6 - трубопровод сброса жидкости из резервуара; 7 - трубопровод подачи жидкости в резервуар; 8 - трубопровод аварийного перелива жидкости; 9 - переливная воронка; 10 - жесткие связи стен башни с наружными стенами резервуара; 11 - переливные окна; 12 - трубопровод забора жидкости из резервуара; 13 - люк; 14 - фильтр очистки воздуха; 15 - отверстия для воздуха.

В качестве конкретного примера конструктивного решения резервуара для жидкости внутри резервуара 1 любым известным, например проходческим, способом возводится коаксиальная циркуляционная опорная башня 2 с заглублением ее в днище резервуара до образования приямка 3. Внутри этого приямка устанавливается устройство (воронка) 4 для отбора жидкости из резервуара. В днище башни предусмотрен приямок 5 с отводящим трубопроводом 6, предназначенным для отвода остатков жидкости из резервуара для его полного опорожнения. Трубопровод подачи жидкости в резервуар 7 заканчивается на отметке проектного максимального уровня воды в резервуаре, а трубопровод 8 аварийного перелива имеет переливную воронку 9, установленную на 100 мм выше. Жесткие связи 10 по окружности соединяют стены башни со стенами резервуара. В стенах башни имеются переливные окна 11, расположенные по всей высоте башни. Забор жидкости из резервуара осуществляется по трубопроводу 12. В покрытии башни предусмотрен монтажный люк 13, а также фильтр 14 для очистки воздуха, поступающего внутрь башни (при понижении уровня жидкости в ней), а для пропуска воздуха в резервуар (при этом понижении уровня) предусмотрены отверстия 15 в стенах башни.

Рассматривая работу резервуара (фиг.1-4) в режиме забора жидкости из него, очевидно, что соотношения диаметров резервуара и башни, размеры и места установки переливных окон, диаметры впускных и выпускных трубопроводов в первую очередь должны обеспечивать практически одновременное понижение уровней жидкости в резервуаре и в башне. Иначе при быстром понижении уровня жидкости в башне во время ее откачки произойдет остановка насосов раньше, чем произойдет такое же понижение уровня в резервуаре (после перелива жидкости через окна в башню). Для решения этой задачи авторами принята расчетная гидравлическая схема (фиг.6). Переливные окна рассматриваются как одна вертикальная прямоугольная щель, непрерывная по всей высоте башни, имеющая постоянную ширину.

Обозначим:

S_b, D_b - соответственно площадь поперечного сечения центральной башни и ее диаметр;

S_r, D_r - площадь поперечного сечения и диаметр резервуара (за вычетом площади S_b);

h - располагаемый по центру переливного отверстия напор;

h₁, h_pr, h₂ - соответственно высота уровня воды в башне, водозаборном приямке и в резервуаре;

q_otvi - расход воды через каждое переливное отверстие (q_otv1i - через незатопленное отверстие, q_otv2i - через затопленное отверстие);

Q_otv - общий расход воды, переливающейся из резервуара через одинаковые переливные затопленные отверстия в башню (соответственно, Q_otv1 - через незатопленные отверстия, Q_otv2 - через затопленные отверстия) и через водозаборную трубу;

Q_i - общий расход воды, переливающейся из резервуара через любое (i-e) отверстие в башню;

h_vak - разрежение во всасывающем трубопроводе, вызываемое работой насосов во время забора воды из резервуара. Условно для расчетов принимаем три варианта работы резервуара:

1) h_vak=5 м - при работающем насосном оборудовании;

2) h_vak=0 - при отключенных насосах, но при этом происходит свободный излив воды из башни;

3) h_vak= -5 м - при отключенных насосах, но при этом происходит перелив воды из башни (в расходный резервуар).

h₁+h_pr+10+h_vak - напор воды в водозаборной трубе с учетом атмосферного давления в резервуаре;

u_b, u_tr - соответственно скорость понижения уровня воды в башне и скорость движения воды в водозаборной трубе;

V_r, V_b - соответственно объем воды, перетекающий из резервуара через щель в башню и вытекающий из башни через водозаборную трубу;

L_tr - протяженность водозаборного трубопровода (от резервуара до насосной станции);

s_tr, d_tr - соответственно площадь поперечного сечения и диаметр водозаборного трубопровода;

a, s_otv - ширина и площадь поперечного сечения переливного отверстия (щели);

δ - толщина горизонтальной перегородки, разделяющей переливные отверстия;

dh - расстояние между переливными отверстиями по высоте (шаг отверстий);

n - количество вертикальных рядов переливных отверстий (щелей) в стене башни;

μ - коэффициент расхода, зависящий от напора над центром отверстия, сжатия струи, вида кромок отверстия и др. (μ=0,5) [3];

λ - коэффициент сопротивления по длине трубопровода (λ=0,03) [3];

При подаче и несбалансированном отборе воды h₁≠h₂, причем h₂>h₁.

Из всей совокупности отверстий можно выделить два типа:

- незатопленные - поз. 1; - затопленные - поз. 2.

Очевидно, что общий расход воды Q_otv, переливающийся из резервуара через отверстия, будет равен сумме расходов воды через каждое отверстие, т.е.: Q_otv=∑q_otvi. (1)

При этом выражение (1) справедливо как для поз. 1, так и для поз. 2, т.е.

Q_otv1=∑q_otv1i, (1a)

Q_otv2=∑q_otv2i, (1б)

а общий расход очевидно будет:

Q_otv=Q_otv1+Q_otv2 (2)

Для простоты будем считать, что отверстия, образующие щель, - прямоугольные шириной а. Рассмотрим более детальную схему со следующими условиями (фиг.7) - перегородки между отверстиями толщиной δ и шагом dh, причем δ<<dh.

Для i-го отверстия очевидно можно записать:

где h - напор, принимаемый по центру отверстия,

и adh - площадь отверстия.

Выражение (3) подставим в (1):

Для отверстий поз. 1 (незатопленных) в силу того, что величина h переменная и составляет 0 на отметке уровня воды в резервуаре и h₂-h₁ на отметке уровня воды в башне, можем записать выражение (4) в виде

Для отверстий поз. 2 (затопленных) располагаемый напор h для любого отверстия постоянен и равен h₂-h₁, поэтому выражение (4) для этого типа отверстий можно записать в виде

при этом пределы интегрирования очевидно будут определять высоту щели (ряда отверстий), т.е.

Таким образом, в некоторый произвольный момент времени, при котором уровни воды в башне и резервуаре соответственно равны h₁ и h₂, расход воды из резервуара в башню можем определить по выражению (2) с учетом (5) и (7), т.е.:

Для системы "башня - всасывающий трубопровод насосной станции" (в сечениях 0-0 и 1-1) запишем уравнение Бернулли

где: u - скорости воды (индекс b - в башне, tr - в трубопроводе).

Для этих же сечений запишем уравнение сплошности (неразрывности) струи:

u_bS_b=u_trs_tr, (10)

где S - поперечное сечение (индексы b - башни, tr - трубопровода).

Потери напора в трубопроводе Δh_tr представим в виде:

где - коэффициент, учитывающий потери напора по длине трубопровода.

Из (10) следует:

Выражения (11) и (12) подставим в выражение (9):

Так как Q_b=u_bS_b, правую часть (2.13) умножим и разделим на S_b:

Из выражения (14) следует:

где

За некоторый малый промежуток времени dt объем воды dV, перетекший через щель из резервуара в башню, будет равен:

dV_r=Q_rdt. (16)

С другой стороны, за счет изменения объема воды в резервуаре очевидно должен измениться уровень воды на величину dh₂

где S_r - поперечное сечение резервуара.

В выражение (17) подставим выражение (16)

Откуда,

За тот же промежуток времени dt через башню и далее через водозаборный трубопровод пройдет объем воды dV_b, который равен

dV_b=Q_bdt, (20)

а понижение уровня воды в башне составит

После подстановки (20) в (21) будем иметь:

Правые части (19) и (22) приравняем:

Поставим в уравнение (23) значения Q_r и Q_b из выражений (8) и (15).

Получим дифференциальное уравнение изменения уровня воды в резервуаре в зависимости от изменения уровня воды в башне (h₁ - аргумент, h₂ - функция) при наличии в стене центральной циркуляционной башни вертикальной непрерывной щели постоянной ширины (решается численным методом).

Для возможности практического применения результатов дифференциального уравнения определим наиболее приемлемые численные значения выражения A(a), входящего в это уравнение,

где

a - коэффициент, учитывающий потери напора по длине трубопровода.

К примеру, длину трубопровода от резервуара до насосной станции (L_tr) условно принимаем равной 300 м, его диаметр d_tr=500 мм.

Для принятых геометрических размеров резервуаров значение k_tr=18.

Принимаем, что центральная башня имеет диаметр 6,0 м (наиболее распространенные блоки-тюбинги), площадь ее поперечного сечения S_b=28,27 м²;

значения диаметров резервуара принимаем в диапазоне 18,0 м - 36,0 м;

Фиг.8. График зависимости коэффициента А(а) от диаметра резервуара

D_r (при ширине вертикальной щели в стене башни, равной а=0,5-4,0 м).

На основании полученных значений коэффициента А(а) решаем дифференциальное уравнение. В результате чего определяем изменение уровня воды в резервуаре в зависимости от снижения уровня воды в центральной башне во время работы резервуара. Решив дифференциальное уравнение (24) при значениях x(h₁)=4, 5, 6, 8, 10, 15 и 20 (м) соответственно, строим графики:

Фиг.9. Графики понижения уровня воды в резервуаре h₂ при понижении уровня воды в центральной башне h₁.

Определение оптимальных параметров расходно-запасного резервуара для различных эксплуатационных режимов работы системы водоснабжения производится следующим образом: для заданного объема расходно-запасного резервуара (например, 2000 м³) определение его оптимальных параметров (высоты и диаметра резервуара, диаметра башни, размера и количества окон для перелива воды) следует подбирать для режима работы резервуара «забор воды из резервуара без заполнения». Это объясняется тем, что в режиме максимально возможного отбора воды из расходно-запасного резервуара (одновременное включение всех насосов) понижение уровней воды в башне и в резервуаре должно быть практически одинаковым. Другими словами, количество отобранной воды насосами из циркуляционной башни для потребителя должно быть равным количеству воды, которая при этом перетечет через переливные окна из резервуара в башню. Соблюдение этого требования обеспечит нормальную работу водозаборных насосов на насосной станции.

Одновременно с необходимостью выполнения этого требования, важным условием нормальной работы расходно-запасного резервуара следует считать отсутствие застойных зон воды в резервуаре.

При заданном проектном объеме резервуара (2000 м³), как правило, заранее известными являются его наружный диаметр или высота (по условиям нормальной работы насосов, площади застройки и т.п.). Принимаем диаметр резервуара, например, 18 м. Следовательно, площадь его днища равна 254,3 м². Высота резервуара: 2000:254,3≈8 м.

Выше было теоретически доказано, что при значении коэффициента А, равном 4,5, достигается требуемое условие: понижение уровней воды в башне и в резервуаре происходит почти одновременно. При более высоких значениях этого коэффициента это условие также будет соблюдаться, но при этом возможно образование застойных зон как внутри башни (забор воды будет происходить в основном через переливные окна), так и в самом резервуаре.

Принимаем значение А=4,5, а из графика на Фиг.8 («График зависимости коэффициента А(а) от диаметра резервуара D_r при ширине вертикальной щели в стене башни, равной а=0,5-4,0 м) определяем, что для резервуара диаметром 18 м, при данном значении коэффициента А ширина переливных окон должна быть равна 3,0 м.

Т.е., если внутри резервуара, диаметр которого 18,0 м, поместить циркуляционную башню диаметром 6,0 м, то в стене этой башни следует предусмотреть переливные окна общей шириной не менее 3,5 м. Другими словами, если периметр циркуляционной башни составляет 18,5 м, то при этом 3,5 м (≈ 20%) следует выделить для переливных окон. Эти окна (прямоугольные или круглые отверстия) расположить равномерно по высоте башни, причем только на той стороне стены, которая диаметрально противоположна месту установки заполняющей резервуар воронки.

Рекомендуемая последовательность (методика) расчета и подбора основных геометрических параметров резервуаров и циркуляционной башни:

а) для требуемого объема воды подобрать диаметр, высоту, отметку дна резервуара и глубину приямка (по условиям нормальной работы насосов);

б) диаметр башни определяем, исходя из расчета сооружения на сейсмостойкость, прочность и расчета несущей способности покрытия резервуара;

в) размер и количество переливных окон определяем для режима работы «отбор воды из приямка башни (без подачи воды в резервуар)»;

г) из графика понижения уровня воды в резервуаре h₂ при понижении уровня воды в башне h₁ подбираем значение коэффициента А(а), при котором понижение уровней воды в резервуаре и в башне будет происходить одновременно;

д) из графика зависимости коэффициента А(а) для диаметра резервуара D_r (при ширине щели а=0,5-4,0 м) подбираем ширину вертикальной щели (а);

е) расположив окна перелива воды конструктивно, определяем коэффициенты k₁, k_tr и А(а); строим график А(а)-D_r (при выбранной ширине щели (а);

ж) проверяем допустимость принятой расстановки переливных окон расчетами несущей способности и сейсмостойкости опорной башни.

Проведенными авторами многочисленными экспериментами на моделях резервуаров доказано, что в отличие от прототипа предложенное изобретение устраняет перечисленные выше недостатки, поскольку:

а) позволяет сократить или полностью исключить так называемый «мертвый» запас жидкости внутри резервуара;

б) позволяет в любой момент работы резервуара производить отбор жидкости из башни и резервуара, и «застойные» зоны жидкости как внутри башни, так и внутри резервуара при этом не будут появляться;

в) имеется возможность путем соответствующего расположения или концентрации переливных окон производить отбор жидкости преимущественно из любой (верхней или нижней) из зон внутреннего объема резервуара, что особенно важно для жидкостей, расслаивающихся при длительном хранении;

г) при нормальной работе резервуара будет происходить одновременное понижение уровней жидкости как внутри башни, так и внутри резервуара, что позволяет исключить неравномерное давление жидкости на стены башни резервуара с обеих сторон.

Литература

1. Патент РФ №2042017 от 19.07.91 г., МКИ 6 Е 03 В 7/04, «Система водоснабжения».

2. Патент РФ №2027828 от 10.07.92 г., МКИ 6 Е 03 В 11/02, «Система резервуаров суточного запаса питьевой воды».

3. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. - М.: «Энергия», 1972.

Изобретение относится к конструкциям резервуаров запаса чистой воды, сжиженных газов, жидкого топлива и других жидкостей. Техническим результатом является предотвращение образования застойных зон в резервуаре. Резервуар для жидкости содержит ввод жидкости в резервуар и отбор жидкости из резервуара, коаксиальную циркуляционную опорную башню, в стене которой предусмотрены окна для перелива жидкости из резервуара в башню, нижняя часть которой заглублена в днище резервуара и образует приямок для отбора жидкости из резервуара. Указанные окна расположены в шахматном порядке по всей высоте башни со стороны, противоположной и максимально удаленной от места ввода жидкости в резервуар, при этом места установки этих окон и их количество по высоте башни подобраны таким образом, что при отборе жидкости из башни исключено образование застойных зон жидкости в резервуаре. 9 ил.

Резервуар для жидкости, содержащий ввод жидкости в резервуар и отбор жидкости из резервуара, коаксиальную циркуляционную опорную башню, в стене которой предусмотрены окна для перелива жидкости из резервуара в башню, отличающийся тем, что нижняя часть указанной башни заглублена в днище резервуара и образует приямок для отбора жидкости из резервуара, указанные окна расположены в шахматном порядке по всей высоте башни со стороны, противоположной и максимально удаленной от места ввода жидкости в резервуар, при этом места установки этих окон и их количество по высоте башни подобраны таким образом, что при отборе жидкости из башни исключено образование застойных зон жидкости в резервуаре.