АЭРАТОР С ПУЛЬСАТОРОМ И СПОСОБ (ВАРИАНТ) АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК C02F3/18 

Изобретение относится к конструктивным элементам установок очистки канализационных стоков (УБО), в частности к системам аэрации УБО, предназначенных для биологической очистки бытовых канализационных стоков отдельно стоящих домов и коттеджей.

Из предшествующего уровня техники известен гидродинамический пульсатор давления в виде клапанной пары "тарель-седло" с возможностью регулирования хода тарели, см. RU №2140333, В05В 1/08, 1997.

Этот пульсатор мало пригоден для использования в системах аэрации УБО.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип заявленных устройств и способов, является способ насыщения жидкости газом и устройство для его осуществления согласно SU №1454511, В05В 3/16, 1987.

В известном способе насыщения жидкости газом инжекция воздуха в воду осуществляется через пористую перегородку, которой сообщают колебательные движения в собственной плоскости с амплитудой, в 2-30 раз превышающей диаметр пор перегородки. Это позволяет снизить размер пузырьков и увеличить их количество с соответствующим повышением площади контактирующих фаз.

Устройство для осуществления способа содержит инжекционную камеру с пористой перегородкой и автоколебательный пневматический механизм для сообщения инжекционной камере с перегородкой колебательного движения.

Недостатком прототипа является чрезмерная сложность конструкции устройства, реализующей известный способ, и необходимость в специальных компрессорах, что не позволяет использовать этот способ в УБО.

В части аэратора, из уровня техники известны аэраторы, содержащие выполненный из антикоррозионного материала корпус в виде перфорированной каркасной трубы и расположенную на наружной поверхности корпуса трубчатую оболочку из мелкопористого упругого материала, см., например, SU №1174385, М. кл. C02F 3/02, 1984; RU №2220112, М. кл. C02F 3/02, 2003; RU №39328, C02F 3/06, 2004.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является аэратор, содержащий распределитель в виде перфорированного трубчатого корпуса с диспергирующим упругим покрытием, закрепленный на несущем элементе, см. RU №54585, М. кл. C02F 3/06, 2006.

Однако этот аэратор сравнительно малоэффективен и не может быть дополнительно использован для перемешивания жидкости.

Технической задачей, решаемой изобретением, является интенсификация процесса массообмена без увеличения энергетических затрат.

Решение указанной задачи обеспечено тем, что аэратор, содержащий распределитель в виде инжекционной камеры и средство для создания пульсаций давления воздуха, согласно изобретению средство для создания пульсаций давления воздуха выполнено в виде пульсатора, содержащего корпус, снабженный впускными и выпускными каналами для воздуха, в полости которого расположен поворотный вал, снабженный крыльчаткой и каналами для импульсной подачи воздуха в выпускные каналы корпуса пульсатора, который, в свою очередь, подключен одним или несколькими газопроводами к одной или нескольким инжекционным камерам, выполненным в виде газопроницаемых каркасов, а пористые перегородки выполнены в виде эластичных цилиндрических газопроницаемых оболочек из упругого материала и закреплены на упомянутых каркасах с возможностью радиальных колебаний стенок этих оболочек от импульсов давления инжектируемого воздуха. В варианте выполнения выпускные каналы корпуса пульсатора давлений выполнены с возможностью поочередного подключения к каналам для подачи воздуха в поворотном валу; распределитель снабжен дополнительными инжекционными камерами, каждая из которых соединена с одним из выпускных каналов корпуса пульсатора.

Решение указанной задачи обеспечено также тем, что, пульсатор импульсов давления воздуха содержит корпус, снабженный впускными и выпускными каналами и установленной внутри корпуса крыльчаткой, закрепленной на поворотном валу, снабженном сквозными каналами.

Кроме того, решение указанной задачи обеспечено тем, что в способе аэрации жидкости инжекцию воздуха осуществляют через пористую перегородку распределителя, выполненную из эластичного упругого материала, которую приводят в колебательное движение в направлении, перпендикулярном ее поверхности, за счет импульсов давления воздуха, предпочтительно, чтобы амплитуда колебаний пористой перегородки поддерживалась в диапазоне, в 2-30 раз превышающем диаметр ее пор.

Решение указанной задачи обеспечено также тем, что способ аэрации жидкости характеризуется тем, что осуществляют импульсное и последовательное инжектирование воздуха в камеры многокамерного фасонного распределителя.

Использование предложенного изобретения обеспечивает интенсификацию процесса насыщения кислородом обрабатываемой жидкости за счет улучшения массообмена без увеличения энергетических затрат на аэрацию.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:

На фиг.1 показан продольный разрез пульсатора (общий вид) и схема его подключения к многокамерному распределителю; на фиг.2 - то же с вариантом выполнения пульсатора и схемой его подключения к однокамерным распределителям; на фиг.3 - продольный разрез (общий вид) однокамерного распределителя; на фиг.4 - продольный разрез (общий вид) многокамерного распределителя; на фиг.5 - сечение А-А фиг.2; на фиг.6 - фрагмент общего вида варианта выполнения аэратора; на фиг.7, 8, 9 - варианты выполнения аэраторов.

Примеры осуществления заявленных способов поясняются ниже, при описании работы предложенных устройств.

Распределитель 1а аэратора содержит инжекционную камеру 2а с трубчатым перфорированным (газопроницаемым) каркасом 3, выполненный, например, из пластмассы. На каркасе 3 размещена цилиндрическая эластичная пористая (газопроницаемая) перегородка 4, выполненная в виде цилиндрической оболочки из упругого материала. Кроме того, каркас 3 снабжен штуцером 5а с каналом 5б для ввода сжатого воздуха. Трубчатый перфорированный каркас 3 многокамерного распределителя 1б аэратора разделен перегородками 6 на несколько инжекционных камер 2б, каждая из которых снабжена пористыми перегородками 4, штуцерами 5а с каналами 5б для ввода сжатого воздуха в каждую камеру. Для сообщения пористым перегородкам 4 радиальных колебаний аэраторы 1а и 1б подключены к пульсатору давления 7а или 7б. Пульсатор 7а или 7б содержит корпус с впускным газовым каналом 8, подключенным к газопроводу 9 подачи инжектируемого воздуха, и выпускными газовыми каналами 10, соединенными с газопроводами 11 для подачи воздуха в инжекционные камеры 2а или 2б. Пневматический механизм содержит установленную в полости «Б» корпуса крыльчатку 12, закрепленную на валу 13, снабженном сквозными газовыми каналами 14, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вала 13. Выпускные газовые каналы 10 корпуса расположены с примыканием к сквозным каналам газовым 14 вала 13. Пульсатор 7а (см. фиг.1) снабжен несколькими впускными газовыми каналами 8б, сообщенными с впускным каналом 8. На фиг.2 показан вариант выполнения пульсатора, в валу 13 которого выполнен продольный газовый канал 15, сообщенный с поперечным входным газовым каналом 16. По сравнению с первым вариантом второй вариант проще в изготовлении, однако (при тех же габаритах, что и первый вариант) имеет большее гидравлическое сопротивление, причем для обеспечения работоспособности этого варианта пульсатора необходимо, чтобы какой-либо из каналов 10 всегда был сообщен с каналом 15. Оба варианта пульсаторов 7а и 7б могут быть выполнены из пластмассы. На фиг.7-9 показаны аэраторы с монтажным элементом 17, который может быть выполнен, например, в виде фасонной стойки с неравными по длине, взаимно перпендикулярными длинным а и коротким б плечами, на длинном и коротком плечах которой закреплены (посредством крепежных элементов 18) соответственно гибкий газопровод 9, пульсатор 7а или 7б и распределитель 1а или 1б.

Предложенные устройства работают следующим образом.

В процессе аэрации жидкости сжатый воздух подается через пульсаторы 7а и/или 7б в распределители 1а и/или 1б. В пульсаторе 7а сжатый воздух из канала 8, направляясь к каналу 10, примыкающему к полости корпуса с крыльчаткой 12, вращает последнюю вместе с валом 13. В пульсаторе 7б сжатый воздух из канала 8 поступает через канал 16 в канал 15, который всегда сообщен с одним из каналов 10, при этом крыльчатка 12 с валом 13 приводится во вращение. При вращении вала 13 один из его каналов 14 совмещается с одним из каналов 10 и воздух поступает в инжекционную камеру 2 распределителя 1а или в инжекционные камеры 2 многокамерного распределителя 1б. При дальнейшем вращении вала 13 за счет крыльчатки 12 канал 14 перестает совпадать с каналом 10 и поток воздуха оказывается перекрытым валом 13. Таким образом, при вращении вала 13 происходит периодическое перекрытие потока воздуха с генерированием импульсов давления в инжекционных камерах 2а или 2б, под действием которых пористые перегородки этих камер совершают колебательные движения перпендикулярно к поверхности пористых перегородок, при этом воздух проходит сквозь колеблющиеся пористые перегородки 2а, 2б с образованием в аэрируемой жидкости множество отстоящих друг от друга по высоте пространственных фронтов воздушных пузырьков, в которых воздушные пузырьки колеблются (сжимаются-разжимаются) под действием волн, распространяющихся в аэрируемой воде от колебаний пористых перегородок. Следует отметить, что при инжекции воздуха в жидкость через пористую перегородку, находящуюся в статическом состоянии, что реализовано в известных аэраторах, воздушные пузырьки образуются под действием только гидростатической силы всплытия и их диаметр в этом случае зависит от диаметра поры и силы поверхностного натяжения, действующей по периметру поры. При диаметре поры 0,1 мм диаметр отрывающихся пузырьков составляет 3,6-5,0 мм, т.е. в 35-56 раз больше диаметра поры. Вследствие того, что крупные пузырьки всплывают быстрее чем мелкие, крупные пузырьки менее эффективны для насыщения жидкости кислородом, чем мелкие. В предложенном способе насыщение жидкости кислородом осуществляется через колеблющуюся стенку оболочки пористой перегородки, причем колебательные движения стенки оболочки совершаются в направлении, перпендикулярном к ее цилиндрической поверхности с амплитудой колебаний, превышающей диаметр пор в 2-30 раз. При таких колебаниях пористой перегородки отрыв от нее пузырьков воздуха происходит под действием равнодействующей суммы сил гидростатического всплытия и радиальной силы, возникающей из-за радиальных по направлению колебательных движениях стенки пористой перегородки. Это приводит к тому, что каждый пузырек воздуха отрывается от перегородки, не успев вырасти до размеров, при которых происходит всплытие под действием только гидростатических сил, при этом размеры воздушных пузырьков уменьшаются приблизительно в 1,7 раза, а их количество увеличивается до 3,0 раз. Это увеличивает как время контакта фаз воздух-жидкость, так и площадь их контакта, что интенсифицирует процесс массообмена.

Пример. Проводилось исследование насыщения сточной воды с температурой 19°С кислородом воздуха через инжекционную камеру с неподвижной пористой перегородкой. Распределитель погружали на глубину 180 мм. Длина распределителя (с одной камерой составила 50 мм, наружный диаметр 14 мм, внутренний 10 мм. Диаметр пор 0,02 мм. Перегородке посредством пульсатора придавались радиальные колебательные движения с частотой до 50 Гц. Давление в подводящем канале (напорном газопроводе) поддерживали постоянным, на уровне 240 мм вод. ст. Амплитуда колебаний пористой перегородки составила до 0,6 мм. Местное давление измерялось лабораторным дифманометром с ценой деления 1 мм; расход воздуха ротаметром; диаметр пузырьков воздуха по масштабной фотографии с помощью лабораторного микроскопа; содержание кислорода в воде термооксиметром; количество пузырьков воздуха рассчитывалось по измеренным расходу воздуха и размеру его пузырьков. В результате исследований было установлено, что в сравнении с неподвижной пористой перегородкой при прочих равных условиях колебания стенки пористой перегородки с амплитудой, превышающей размер ее пор в 2-30 раз, приводят к повышению концентрации пузырьков до 2,1 раза с соответствующим уменьшением их диаметра до 2 раз.

Из многокамерного распределителя 1б (см. фиг.7, 9) или нескольких однокамерных распределителей 1а (см. фиг.8) могут быть сформированы контуры различных плоских фигур, в т.ч. отрезок прямой линии, окружность и т.д. При использовании аэраторов с фигурным расположением камер распределителя (или распределителей) и последовательным подключением их камер к пульсатору в аэрируемой воде формируется множество пространственных фронтов пузырьков, подобных по форме контуру фигуры, сформированной из соответствующих распределителей. Условно такие фронты волн показаны пунктирными изогнутыми линиями на фиг.7-8. Пузырьковые фронты образуются в аэрируемой воде в соответствии с частотой колебаний стенок оболочек пористых перегородок. При распространении в аэрируемой жидкости пространственных пузырьковых фронтов в ней формируются вторичные течения с развитием циркуляции, что приводит к перемешиванию аэрируемого объема жидкости и постоянному поступлению в область аэрации свежих порций воды, что повышает степень усвоения аэрируемой водой кислорода воздуха. В экспериментах было установлено, что при использовании многокамерных распределителей с прямолинейным расположением камер (см. фиг.7), вторичные течения приводят к циркуляции жидкости в аэрируемом объеме, преимущественно вдоль распределителя. С помощью однокамерных распределителей, расположенных звездообразно (см. фиг.8), или многокамерных распределителей в виде кольца (см. фиг.9) формируются вторичные течения с преимущественной циркуляцией, в плане, вдоль контуров этих фигур.

Таким образом, при использовании предложенного изобретения обеспечивается интенсификация процесса массообмена без увеличения энергетических затрат.

Изобретение может быть использовано для биологической очистки бытовых канализационных стоков отдельно стоящих домов и коттеджей. Аэратор содержит распределитель 1б и средство для создания пульсаций давлений воздуха, выполненное в виде пульсатора 7а, содержащего корпус, снабженный впускными 8б и выпускными 10 каналами для воздуха. В полости корпуса расположен поворотный вал 13 с крыльчаткой 12 и каналами 14 для импульсной подачи воздуха в выпускные каналы 10. Корпус подключен одним или несколькими газоводами 11 к одной или нескольким инжекционным камерам 2б, выполненным в виде газопроницаемых каркасов с закрепленными на них эластичными пористыми перегородками 4 в виде цилиндрических газопроницаемых оболочек из упругого материала. Воздух инжектируют через пористую перегородку 4 распределителя 1б, приводя ее в движение в направлении, перпендикулярном ее поверхности, за счет импульсов давления воздуха, создаваемых пульсатором 7а. Амплитуду колебаний перегородки 4 поддерживают в диапазоне, в 2-30 раз превышающем диаметр ее пор. Можно инжектировать воздух импульсно и последовательно в камеры многокамерного фасонного распределителя. Массообмен интенсифицируется без увеличения энергетических затрат. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Аэратор, содержащий распределитель в виде инжекционной камеры и средство для создания пульсаций давления воздуха, отличающийся тем, что средство для создания пульсаций давления воздуха выполнено в виде пульсатора, содержащего корпус, снабженный впускными и выпускными каналами для воздуха, в полости которого расположен поворотный вал, снабженный крыльчаткой и каналами для импульсной подачи воздуха в выпускные каналы корпуса пульсатора, который, в свою очередь, подключен одним или несколькими газопроводами к одной или нескольким инжекционным камерам, выполненным в виде газопроницаемых каркасов, а пористые перегородки выполнены в виде эластичных цилиндрических газопроницаемых оболочек из упругого материала и закреплены на упомянутых каркасах с возможностью радиальных колебаний стенок этих оболочек от импульсов давления инжектируемого воздуха.

2. Аэратор по п.1, отличающийся тем, что выпускные каналы корпуса пульсатора давлений выполнены с возможностью поочередного подключения к каналам для подачи воздуха в поворотном валу.

3. Аэратор по п.1, отличающийся тем, что распределитель снабжен дополнительными инжекционными камерами, каждая из которых соединена с одним из выпускных каналов корпуса пульсатора.

4. Пульсатор импульсов давления воздуха, содержащий корпус, снабженный впускными и выпускными каналами и установленной внутри корпуса крыльчаткой, закрепленной на поворотном валу, снабженном сквозными каналами.

5. Способ аэрации жидкости посредством аэратора по пп.1-3, характеризующийся тем, что инжекцию воздуха осуществляют через пористую перегородку распределителя, выполненную из эластичного упругого материала, которую приводят в колебательное движение в направлении, перпендикулярном ее поверхности, за счет импульсов давления воздуха.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что амплитуду колебаний указанной перегородки поддерживают в диапазоне, в 2-30 раз превышающем диаметр ее пор.

7. Способ аэрации жидкости с использованием аэратора по пп.1-3, характеризующийся тем, что осуществляют импульсное и последовательное инжектирование воздуха в камеры многокамерного фасонного распределителя.