СПОСОБ АЭРАЦИИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C02F7/00 

Изобретение относится к обеспечению охраны водной среды и может быть использовано для обогащения кислородом воздуха естественных и искусственных водоемов, в частности застойных зон при очистке бытовых и производственных сточных вод в биологических прудах, а также в помещениях на очистных сооружениях водоснабжения.

Известны аэраторы, в которых смешение воды и воздуха производится с применением механических устройств с приводом от промышленных источников энергии (Б.М. Худенко. Аэраторы для очистки сточных Вод. Стройиздат, 1973 г. - 112 стр.). Недостаток известных механических аэраторов заключается в их большой энергоемкости и металлоемкости, так как используется энергия от промышленных источников и ее многократные преобразования, прежде чем совершается полезное действие.

Известен передвижной плавающий аэратор (SU 2082683, опубл. 27.06.1997 г.), в котором используется энергия ветра. Но для совершения полезного действия энергию ветра преобразовывают в механическую энергию дополнительных устройств. Это снижает кпд и делает аэратор энергоемким и металлоемким. К тому же имеется еще целый ряд недостатков. Аэрируются только поверхностные слои водоема, при безветрии или слабом ветре аэратор не работает.

В то же время известно использование силы тяжести физического тела для перемещения воды на более высокую геодезическую отметку с одновременной ее аэрацией (RU 2412379. опубл. 20.02.2011 г. и RU 2447326, опубл. 10.11.2011 г., RU 2451216, опубл. 2012 г.). Водоприемной трубой со всасывающим клапаном забирается из водоема и изолируется порция воды. На изолированную порцию воды действием силы тяжести физического тела создается избыточное давление. Под действием избыточного давления через приемное сопло истекает струя жидкости в камеру смешения и эжектирует воздух из атмосферы. Вода и воздух перемешиваются, образуя однородную водовоздушную смесь, которая напором струи воды из водоприемного сопла выдается по водоподъемной трубе вверх в водосборную емкость. При автоматическом режиме работы физическое тело, вытеснившее воду вверх и опустившееся при этом вниз, поднимают рычагом, нагрузку на который создают весом поднятой воды.

Задача изобретения использовать энергию окружающей среды, а именно энергию поля гравитации Земли, для аэрации воды, аэрировать придонные слои водоема, в том числе в безветренную погоду, а также в помещениях, например в очистных сооружениях водоснабжения.

Технический результат достигается тем, что в способе аэрации, при котором в водоеме забирают воду, формируют поток воды вверх, смешивают воду с воздухом, сбрасывают насыщенную воздухом воду в водоем, согласно изобретению из придонного слоя водоема забирают ограниченную порцию воды, изолируют ее oт водоема, создают на свободную поверхность воды изолированного объема избыточное давление весом физического тела и балласта, формируют скоростное истечение воды через сопло с эжектированием воздуха из атмосферы, который, смешиваясь с водой, обогащает ее кислородом, а затем водовоздушную смесь возвращают в водоем. Физическое тело, вытеснившее воду вверх и при этом опустившееся вниз, поднимают в исходное верхнее положение рычагом, который нагружают весом поднятой вверх порции воды.

Пример осуществления способа

Аэрацию производят следующим образом. В водоем заводят понтон с водоприемной трубой, установленной в кондукторе и оснащенной устройством для подъема и аэрации воды, и фиксируют его положение в водоеме. Водоприемную трубу с всасывающим клапаном опускают до нижних придонных слоев водоема. В водоприемную трубу вводят водоприемное сопло, закрепленное на конце водоподъемной трубы. Водоподъемную трубу подвешивают на коротком конце коромысла, опертого на верхний торец водоприемной трубы. На длинном и коротком концах коромысла устанавливают промежуточные водосборные емкости, оснащенные водосливными сифонными трубами. При этом диаметр корпуса водоприемного сопла близок к внутреннему диаметру водоприемной трубы и его боковая поверхность снабжена кольцевыми гребнями, выполняющими роль гидравлического сопротивления, а значит уплотнения кольцевого зазора при формировании избыточного давления на поверхность воды в водоприемной трубе.

Верхний конец водоподъемной трубы повернут в первую промежуточную емкость на коротком конце коромысла. Слив сифонной трубы из первой промежуточной водосборной емкости ориентирован во вторую промежуточную водосборную емкость на длинном конце коромысла. Слив сифонной трубы из второй промежуточной емкости ориентирован в водоем.

Рассмотрим аэрацию воды предлагаемым способом. Водоприемному соплу с водоприемной трубой предоставляют возможность свободного падения в воду внутри водоприемной трубы. В это время всасывающий клапан закрыт. При входе водоприемного сопла в воду наряду со статическим избыточным давлением на воду формируется и динамическое избыточное давление, пропорциональное массе приемного сопла с водоподъемной трубой и квадрату скорости его движения. Поэтому от момента соприкосновения водоприемного сопла с поверхностью воды последняя под действием избыточного давления устремляется через приемное сопло в камеру смешения. В камере смешения струя воды эжектирует воздух из атмосферы по воздушной трубке. Вода и воздух в камере смешения перемешиваются, образуя однородную водовоздушную смесь, которая напором водяной струи выдается на дневную поверхность по водоподъемной трубе в первую промежуточную водосборную емкость.

Так как корпус водоприемного сопла близок по диаметру к внутреннему диаметру водоприемной трубы, то при опускании его в воду создается сопротивление движению воды между стенками корпуса водоприемного сопла и стенками водоприемной трубы из-за малости поперечного сечения кольцевого зазора и наличия местных сопротивлений в виде кольцевых гребней на корпусе водоприемного сопла. Основное количество воды поступает в канал водоподъемной трубы. По законам гидравлики при разветвленных сетях вода распределяется обратно пропорционально сопротивлению в соответствующих каналах. Ударное вхождение водоприемного сопла в воду лишь увеличивает надежность такого распределения, так как при этом возрастают скорости движения воды и в квадрате возрастает сопротивление каналов меньшей площади поперечного сечения.

Из водоподъемной трубы вода поступает в первую промежуточную водосборную емкость, закрепленную на коротком плече неравноплечего коромысла. Объем поступившей воды в первом приближении можно определить как объем цилиндра с диаметром водоприемной грубы и высотой, равной расстоянию от свободной поверхности воды в водоприемной трубе, существовавшей до вхождения водоприемного сопла в воду, до крайнего низшего положения водоприемного сопла после его опускания в водоприемную трубу.

После наполнения первой промежуточной емкости вода по сифонной трубе перетекает во вторую промежуточную емкость, закрепленную на длинном плече коромысла. После заполнения второй промежуточной емкости последняя, опускаясь, поднимает рычагом водоподъемную трубу в верхнее исходное положение. Одновременно с перемещением вверх водоподъемной трубы открывается всасывающий клапан водоприемной трубы. Очередная порция воды заполняет водоприемную трубу. При выравнивании уровней воды в водоеме и в водоприемной трубе всасывающий клапан закрывается. Из второй промежуточной емкости вода, обогащенная кислородом воздуха, по сифонной трубе перетекает в водоем, а водоподъемная труба опять опускается вниз и вытесняет очередную порцию воды вверх. Таким образом, повторяются циклы забора воды из водоема, обогащения воды кислородом и последующего возвращения аэрированной воды в водоем.

Если по кольцевому зазору между стенками водоприемной трубы и водоприемного сопла прорывается некоторое количество воды, то она по верхнему отводу из водоприемной трубы возвращается в водоем. При этом в результате контактов с воздухом она тоже аэрируется.

Устройство для аэрации воды

Известны механические аэраторы (Б.М. Худенко. Аэраторы для очистки сточных вод. Стройиздат, 1973 г. - 112 стр.). Недостаток известных механических аэраторов заключается в их большой энергоемкости и металлоемкости, так как используется энергия от промышленных источников и ее многократные преобразования, прежде чем совершается полезное действие.

Известен передвижной плавающий аэратор (SU 2082683, опубл. 27.06.1997 г.), в котором используется энергия ветра. Но для совершения полезного действия энергию ветра преобразовывают в механическую энергию дополнительных устройств. Это делает аэратор металлоемким и энергоемким. При этом аэрируют только поверхностные слои водоема и то только в ветреную погоду. При безветрии аэратор бездействует.

В то же время известно использование силы тяжести физического тела для перемещения воды на более высокую геодезическую отметку с одновременной ее аэрацией (RU 2412379, опубл. 20.02.2011 г. RU 2447326, опубл. 10.11.2011 г.). Используют устройство, состоящее из водоприемной трубы с всасывающим клапаном, в которой размещено по диаметру водоприемное сопло, с водоподъемной трубой, имеющей камеру смешения с выходом в атмосферу. Приемной трубой с всасывающим клапаном забирается из водоема и изолируется порция воды. На изолированную порцию воды под действием силы тяжести физического тела создается избыточное давление. Под действием избыточного давления через приемное сопло истекает струя жидкости в камеру смешения и эжектирует воздух из атмосферы. Вода и воздух перемешиваются, образуя однородную водовоздушную смесь, которая напором струи зоды из приемного сопла выдается по водоподъемной трубе вверх в водосборную емкость.

Задача изобретения использовать энергию окружающей среды, а именно энергию поля гравитации Земли, для аэрации воды, аэрировать придонные слои водоема, в том числе в безветренную погоду, а также в помещениях, например в очистных сооружениях водоснабжения.

Технический результат достигается тем, что водоподъемное устройство с использованием аэрации воды для облегчения подъема воды вверх, состоящее из водоприемной трубы с всасывающим клапаном, тяжелой водоподъемной трубы с водоприемным соплом и балластом, в качестве которого используется вода в корпусе водоприемного сопла, воздушной трубы и камеры смешения, а также подъемника, согласно изобретению размещено в понтоне на поверхности водоема, подлежащего аэрации, при этом водоприемная труба опущена до придонных слоев водоема, а слив аэрированной и поднятой вверх воды ориентирован в водоем. При этом вода, прорывающаяся через кольцевой зазор между стенками водоприемной трубы и стенками перемещающегося в ней возвратно-поступательно водоприемного сопла, также аэрируется на дневной поверхности при сбросе ее в водоем через каскад местных сопротивлений, открытых в атмосферу.

Устройство для аэрации воды в водоеме изображено на прилагаемом к описанию чертеже.

Устройство смонтировано на заякоренном понтоне 1 с кондуктором 17 и содержит водоприемную трубу 2 с всасывающим клапаном 3, водоприемное сопло 4 с кольцевыми гребнями 5 на боковой поверхности и корпусом 18, водоподъемную трубу 6 с камерой смешения 7 и крепежным элементом 16, воздушную трубу 8, неравноплечее коромысло 9, опертое на верхний торец водоприемной трубы 2, с первой промежуточной водосборной емкостью 10 на коротком плече и второй промежуточной водосборной емкостью 11 на длинном плече коромысла. Промежуточные водосборные емкости снабжены сифонными сливными трубами 12. Из первой емкости 10 сливная труба ориентирована во вторую емкость 11. Из второй емкости 11 сливная труба ориентирована в водоем. Отвод 13 водоприемной трубы 2 ориентирован в сливной лоток 14 с каскадом поперечных препятствий 15. Сливной лоток 14 направлен в водоем.

Устройство для аэрации воды работает следующим образом.

Устройство можно считать приведенным в рабочее состояние, если водоприемное сопло 4 с водоприемной трубой 6 находятся в верхнем крайнем положении. В это время водоприемная труба 2 заполнена водой, а всасывающий клапан 3 закрыт. Предоставляя возможность свободного движения водоприемного сопла 4 с водоподъемной трубой 6 вниз, мы начинаем рабочий процесс подъема и аэрации воды. Сопло 4 соприкасается с поверхностью воды и переносит на нее тяжесть водоподъемной трубы 6 и балластного груза в виде воды или другого инертного тяжелого материала, заполняющего корпус 18 водоприемного сопла 4. На поверхности воды возникает избыточное давление, под действием которого вода устремляется через отверстие водоприемного сопла 4 в виде высокоскоростной струи в камеру смешения 7. Одновременно вода в некотором ограниченном количестве прорывается по кольцевому зазору между стенками водоприемной трубы 2 и стенками корпуса водоприемного сопла 4 и также движется вверх до бокового отвода 13 в водоприемной трубе 2, через который она сливается в лоток 14, ориентированный в водоем, и, закручиваясь на каскаде препятствий 15, аэрируется и стекает в водоем. На участке свободного движения струя воды из водоприемного сопла 4 увлекает за собой воздух из атмосферы по воздушной трубе 8. В камере смешения 7 вода и воздух интенсивно перемешиваются и в виде однородной водовоздушной смеси поступают в водоподъемную трубу 6,. по которой она поднимается вверх и изливается в первую промежуточную водосборную емкость 10. При этом воздух освобождается в атмосферу, а вода накапливается в емкости. В емкости 10 вода накапливается в количестве, достаточном для того, чтобы, воздействуя своим весом на длинное плечо коромысла, смогла поднять водоподъемную трубу вверх. Такое количество воды определяется положением выхода сифонной трубы из емкости над дном емкости. Поэтому при достижении в емкости 10 уровня воды, равного или более высоты выхода сифонной трубы 12, включается в работу сифон и вся вода из емкости 10 перетекает во вторую емкость 11. При наполнении емкости 11 водой движение вниз подъемной трубы 6 замедляется вплоть до полной остановки. При полном заполнении емкости 11 водой длинное плечо коромысла 9 начинает опускаться вниз и одновременно поднимать коротким плечом водоподъемную трубу 6 вверх. При полном наполнении емкости 11 водоподъемная труба 6 достигнет верхнего крайнего положения.

При движении водоподъемной трубы 6 вверх открывается всасывающий клапан 3 в водоприемной трубе 2 под действием гидростатического давления в водоеме и новая порция воды затекает в водоприемную трубу 2. При выравнивании уровней воды в водоеме и водоприемной трубе 2 всасывающий клапан 3 закрывается. В это же время вода в промежуточной сборной емкости 11 на длинном плече коромысла 9 достигает уровня выхода сифонной трубы и этим запускает сифон в работу. Емкость 11 начинает опорожняться и водоподъемная труба 4 начинает опускаться в водоприемную трубу 2, совершая очередной рабочий цикл.

Таким образом, происходит аэрация воды в водоеме за счет энергии окружающей среды, а именно за счет энергии гравитационного поля Земли. Производительность насыщения воды воздухом высокая и зависит в основном от диаметра водоприемной трубы. При ее диаметре 5 м и погружении в воду водоприемного сопла в каждом цикле на 1 м в каждом рабочем цикле аэрируется 250 литров воды. В момент подъема водоприемного сопла вода, находящаяся в водоприемной трубе, стекает вниз и не попадает в водосборную емкость. Но поскольку длина водоподъемной трубы и ее диаметр невелики, то количество возвращающейся вниз воды не достигает и 1%.

Так как устройство работает круглосуточно в автономном режиме, то за сутки аэрируются большие объемы воды в водоеме.

Изобретение может быть использовано при обогащении кислородом воздуха естественных и искусственных водоемов, в частности застойных зон при очистке бытовых и производственных сточных вод в биологических прудах, а также в помещениях на очистных сооружениях водоснабжения. Способ аэрации включает забор из водоема ограниченной порции воды, изоляцию ее от водоема, создание на поверхности этой порции избыточного давления весом физического тела, формирование истечения скоростной струи воды в камеру смешения, эжектирование этой струей воздуха из атмосферы, смешение воды и воздуха, сброс водовоздушной смеси в водоем, возвращение физического тела - вытеснителя в исходное верхнее положение. Устройство содержит водоприемную трубу с всасывающим клапаном, размещенную на понтоне, физическое тело - вытеснитель с водоподъемной трубой, расположенной внутри водоприемной трубы с возможностью возвратно-поступательного движения, подвешенное на коротком плече неравноплечего коромысла, имеющего на каждом плече промежуточные водосборные емкости, оснащенные сифонными сливными трубами. Изобретение позволяет производить аэрацию воды за счет энергии поля гравитации Земли как в открытых водоемах, так и в помещениях. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ аэрации воды воздухом, включающий забор воды из водоема, формирование потока воды, забор воздуха из атмосферы, перемешивание воды и воздуха, сброс насыщенной воздухом воды в водоем, отличающийся тем, что забор воды производят ограниченными порциями из придонных слоев водоема, изолируют взятую порцию воды от водоема, создают на поверхность изолированной порции воды избыточное давление весом физического тела и балласта, формируют под действием избыточного давления скоростное истечение воды через сопло с эжектированием воздуха из атмосферы, который, смешиваясь с водой, обогащает ее кислородом, а затем водовоздушную смесь возвращают в водоем, при этом прорывающуюся воду через скользящий контакт водоприемного сопла со стенками водоприемной трубы также аэрируют в лотке с каскадом препятствий и сбрасывают в водоем.

2. Способ аэрации воды по п.1, отличающийся тем, что физическое тело, вытеснившее воду вверх и опустившееся при этом вниз, возвращают в исходное верхнее положение с помощью рычага, нагружаемого весом поднятой вверх порции воды.

3. Устройство для аэрации воды по способу, изложенному в п.1, содержащее заякоренный в водоеме понтон и водоприемную трубу, смонтированную на нем, отличающееся тем, что водоприемная труба снабжена всасывающим клапаном внизу, отводом вверху и опущена в придонные слои водоема через кондуктор, имеющий крепежные элементы для удержания водоприемной трубы на понтоне, а в ней размещено физическое тело и балласт по диаметру водоприемной трубы с водоподъемной трубой, которая подвешена на коротком плече неравноплечего коромысла, опертого на верхний торец водоподъемной трубы, при этом на обоих концах неравноплечего коромысла смонтированы промежуточные водосборные емкости со сливными сифонными трубами, причем сифонная труба из емкости короткого плеча ориентирована в емкость длинного плеча, а сифонная труба из емкости длинного плеча коромысла ориентирована в водоем, отвод водоприемной трубы ориентирован в сливной лоток с поперечными преодолимыми препятствиями.