Аэратор воды Российский патент 2025 года по МПК C02F1/74 

Изобретение относится к аппаратам очистке подземных вод от железа, марганца, меди и других металлов с одновременным удалением сероводорода и других вредных газов и может быть использовано для небольших станций водоочистки, для водоснабжения малых предприятий, индивидуальных владельцев и т.п.

В воде из подземных источников, находящейся под избыточным давлением, кислорода практически нет, но присутствуют растворенные сероводород, радон, метан. При контакте воды с воздухом происходит растворение кислорода и выделение остальных газов. Для ускорения процесса необходимо резко увеличить площадь контакта фаз т.е. провести аэрацию воды.

Наиболее часто аэрация используется в системах очистки подземных вод от железа. В такой воде кислород фактически отсутствует. В ней присутствует растворенное двухвалентное железо в виде ионов Fe⁺², обычно в виде растворенного бикарбоната - Fe(НСО₃)₂. Для перевода железа в нерастворимую гидроокись, которую легко удалить фильтрованием, необходим ввод окислителя. Самым доступным окислителем является кислород воздуха. Для полного окисления 1 г железа требуется 2 литра растворенного в воде воздуха. Следовательно, необходима предварительная аэрация. При последующем отделении избыточного воздуха вместе с ним удаляются и растворенные в воде газы.

Для большинства систем требуется незначительный избыток воздуха - коэффициент избытка 1-2. Такие параметры обеспечивают простейшие устройства такие, как разбрызгивание см. (Кулаков В.В., Сошников Е.В., Чайковский Г.П., Обезжелезивание и деманганация подземных вод: Учебное пособие - Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - 100 с. См на с. 15 и 45, излив из воронки на фильтрующую загрузку см. там же с. 9). Эти способы требуют больших площадей. Применение многоступенчатых водо-воздушных эжекторов, оптимизированных для декарбонизации, там же с. 47, дает хорошие результаты, но требует повышенных энергозатрат.

При разбрызгивании воды в воздухе процесс ее обогащения кислородом происходит довольно интенсивно. При падении капель воды с высоты 0,5 м содержание кислорода в воде достигает 5 мг/л, что достаточно для окисления 35 мг/л железа (II). Поэтому часто применяется способ со свободным переливом воды из емкости в емкость или из подающей трубы в емкость с разрывом струи там же с. 9, 12.

Известен способ очистки воды от железа аэрацией под давлением (Рябчиков Б.Е. Процессы и аппараты современной водоподготовки - М.: ТД ДеЛи, 2023. - 403 с. С. 122), который осуществляется в устройстве, состоящем из специальной аэрационной колонны, в которую воздушным компрессором нагнетается воздух, избыток воздуха и растворенные газы (сероводород, углекислота и т.д.) удаляется с помощью автоматического воздухоотделительного клапана в верхней части аэрационной колонны. Вода с окисленным железом подается в фильтр со специальной загрузкой.

Такой способ обеспечивает подачу относительно незначительного количества воздуха и поэтому он эффективно работает в малых установках, например, бытовых и небольших ВЗУ при рН не более 6,8, концентрации железа менее 10 мг/л, углекислого газа менее 100 мг/л, сероводорода не более 2 мг/л. Газы при этом удаляются незначительно, соответственно рабочему давлению 2-4 ати.

Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому решению является конструкция поверхностной эжекторной установки «Кольцевое сопло», см. (Б.М. Гришин Разработка и исследование новых конструкций эжекторов для очистки сточных вод с применением аэрации. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 132 с. 37), которое представляет собой емкость с трубопроводом ввода воды, внутри которой коаксиально установлена трубка для ввода воздуха, причем емкость представляет собой закрытый опрокинутый конус с выходным расширяющимся книзу соплом на вершине, образуя критическое сечение. Воздушная трубка образует со стенками конуса кольцевой канал для прохода воды, сужаясь в нижней части так, что этот участок оказался ниже критического сечения. Вода от насоса к эжектору подается через боковой штуцер. Воздух всасывается за счет разрежения, возникающего у конца воздушной трубки при обтекании ее рабочей жидкостью. Выходящая из эжектора водо-воздушная смесь погружается в обрабатываемую сточную воду со скоростью 10-12 м/с.В месте входа струи образуется углубление в виде воронки. Водо-воздушная струя захватывает в воронку атмосферный воздух и перемешивает воду в камере смешения.

Доказано, что максимальный захват воздуха достигается при установке эжектора на расстоянии от поверхности воды 8-10 см, а наилучшее перемешивание содержимого эжектора при угле наклона струи к поверхности жидкости 25-30°.

Коэффициент эжекции воздуха К_эж = Q_в/Q_ж достигает максимального значения 1,3-1,7 при скорости жидкости в критическом сечении 8-10 м/с. При дальнейшем увеличении скорости наблюдается рост удельных энергетических затрат. Поэтому скорость ν = 8-10 м/с рекомендуется для расчетов. Для создания такой скорости напор рабочей жидкости должен составлять 0,05-0,07 МПа. Струйные аппараты «кольцевое сопло» рекомендуются к установке как в строящихся, так и в существующих аэротенках небольшой производительности.

Недостатками такой конструкции являются то, что она предназначена для обработки сточных вод в открытых емкостях и его сложно применять для аэрации воды, имеет достаточно сложную и дорогую конструкцию с не очень высокой эффективностью.

Технический результат изобретения - повышение надежности и эффективности аэрации воды.

Технический результат достигается тем, что аэратор воды представляет собой емкость с боковым трубопроводом ввода воды, внутри которой установлена труба для ввода воздуха. При этом емкость выполнена в виде внешней трубы, а внутренняя труба для ввода воздуха установлена в ней коаксиально, и верхний зазор между трубами закрыт кольцевой заглушкой, при этом длина внутренней трубы составляет от 2 до 5 от внутреннего диаметра внешней трубы, сечение промежутка между трубами выбирается так, чтобы обеспечить скорость воды от 3 до 15 м/с, кроме того на внешней трубе крепится вторая кольцевая заглушка, которая закрывает кольцевой зазор между внешней и дополнительной внешней трубой, установленной коаксиально внешней и внутренней трубам, при этом внутренний диаметр дополнительной трубы составляет от 1,5 до 3,0 внутреннего диаметра внешней трубы, также в дополнительной внешней трубе выполнены боковые отверстия с общей площадью равной сечению дополнительной трубы, при этом нижний край боковых отверстий расположен на расстоянии не ниже, чем 0,5 их диаметра от нижнего края внешней трубы, подающей воду.

Сечение промежутка между трубами выбирается так, чтобы обеспечить скорость воды от 3 до 15 м/с поскольку при меньшей скорости не обеспечивается необходимый подсос воздуха, а при большей возрастает необходимое давление воды и, соответственно, энергозатраты.

Внутренний диаметр дополнительной трубы составляет от 1,5 до 3,0 внутреннего диаметра внешней трубы поскольку при меньшем значении дополнительный подсос воздуха незначителен, а при большем необходима большая длина дополнительной трубы для того, чтобы поток смеси вода-воздух расширился до касания стенок дополнительной трубы, что существенно увеличивает габариты аппарата.

Такое техническое решение дает возможность дополнительно увеличить коэффициент эжекции воздуха без увеличения давления обрабатываемой воды, существенно упростить конструкцию, изготавливать аппарат из нержавстали и стандартных ПВХ фитингов.

Предлагаемое изобретение поясняются чертежами:

- на фиг. 1 показана схема предлагаемого аэратора воды с двумя ступенями,

- на фиг. 2 показана схема предлагаемого аэратора воды с одной ступенью из стандартных ПВХ фитингов,

где используются следующие обозначения:

1 - внешняя труба;

2 - трубопровод ввода воды;

3 - трубка для ввода воздуха;

4 - кольцевая заглушка;

5 - кольцевой зазор;

6 - вторая кольцевая заглушка;

7 - дополнительная труба;

8 - воздушные отверстия;

9 - направляющая вставка.

Устройство состоит из корпуса, представляющего собой внешнюю трубу 1 с боковым трубопроводом ввода воды 2, внутри которой коаксиально установлена трубка для ввода воздуха 3, верхний зазор между трубами закрыт кольцевой заглушкой 4. Вода, попадая в пространство между трубами 1 и 3 в кольцевой зазор 5, приобретает высокую скорость, равную V_B=Q_Ж/S_МТ, где Q_Ж - расход жидкости через эжектор в м³/ч, a S_МТ сечение в м², равное разности внутреннего сечения внешней трубы 1 - S₁ и сечения трубы для ввода воздуха 3-S₃, S_МТ=S₁-S₃. С такой скоростью обрабатываемая вода движется вниз до окончания трубки для ввода воздуха 3, где происходит скачкообразное увеличение сечения канала. Происходит разрыв струи и в нее засасывается из трубки 3 большое количество воздуха. Как показали эксперименты, на одной ступени эжекции можно получить К_эж в широко диапазоне расходов и давления воды на уровне 0,3-0,7, см. ниже таблицу 1.

Для получения большего К_эж требуется перейти на большую скорость воды, что требует большего давления, либо использовать дополнительную ступень аэрации, что и предлагается в данном техническом решении. Соответственно с ним на внешний корпус 1 устанавливается кольцевая заглушка 6, на которой закрепляется дополнительная труба 7 с диаметром от 1,5 до 3,0 больше внешней трубы так, чтобы нижний край внешней трубы 1 входил во внутрь дополнительной трубы 7. В ней делаются боковые отверстия для засасывания воздуха 8, причем так, чтобы общая площадь отверстий была близка к сечению дополнительной трубы 7, а нижний край отверстий был расположен не ниже, чем 0,5 от их диаметра на расстояния от нижнего края внешней трубы 1, см. фиг. 1 размер А.

В этом случае пена, выходящая из внешней трубы 1 с высокой скоростью, засасывает большой объем дополнительного воздуха, что существенно увеличивает К_эж, как показано в таблицах 2, 3.

Боковой патрубок ввода воды 2 может присоединяться как под прямым углом см. на фиг. 2, так и тангенциально, как показано на фиг. 1, что несколько увеличивает К_эж. При изготовлении аэратора из стандартных ПВХ фитингов лучшие результаты достигаются при создании закрутки потока введением в трубу подачи воды направляющей вставки 9.

В таблицах 1, 2 приведены результаты экспериментов.

Вариант 1. Длина трубки 1 Д₁=32 мм составляет - L_i=400 мм, длина трубки 3 - Д₃=20 мм составляет - L₃=150 мм. Их сечение равно: S₁=0,80×10³ м², S₃=0,31×10³ м².

Сечение кольцевого канала (с учетом толщины стенок) S_МТ=S₁-S₃=0,8-0,31=0,49×10³ м².

Скорость воды равна расход / сечение V_в=Q_Ж/S_МТ.

Вариант 2. Длина трубки 1 - Д₁=32 составляет - L₁=150 мм, длина трубки 3 - Д₃=20 составляет - L₃=100 мм. Длина трубки 7 - Д₇=63 составляет - L₇=500 (от конца 32-350 мм). Воздушное отверстие 8 Д=50 мм. Сечение кольцевого канала S_МТ=S₁-S₃=0,8-0,31=0,49×10³ м².

Вариант 3. Длина Д₁=32 - 150 мм, длина Д₃=25 - 100 мм, длина Д₇=63 составляет - L₇=500 (от конца 32-350 мм). Воздушное отверстие 8 Д₃=50 мм. Сечение кольцевого канала S₁-S₃=0,8-0,49=0,31×10³ м².

Данные исследований показывают, что увеличение скорости в кольцевом канале повышает К_{эжекции}, но и приводит к росту требуемого давления или снижению производительности при заданном давлении. Как видно из приведенных выше таблиц лучшей результат получается при использовании дополнительной ступени аэрации.

Изобретение предназначено для очистки воды. Аэратор воды представляет собой емкость с боковым трубопроводом ввода воды, внутри которой установлена труба для ввода воздуха. Емкость выполнена в виде внешней трубы, причем внутренняя труба для ввода воздуха установлена в ней коаксиально, а верхний зазор между трубами закрыт кольцевой заглушкой, при этом длина внутренней трубы составляет от 2 до 5 от внутреннего диаметра внешней трубы, сечение промежутка между трубами выбирается так, чтобы обеспечить скорость воды от 3 до 15 м/с, кроме того, на внешней трубе крепится вторая кольцевая заглушка, которая закрывает кольцевой зазор между внешней и дополнительной трубой, установленной коаксиально внешней и внутренней трубам, при этом внутренний диаметр дополнительной трубы составляет от 1,5 до 3,0 внутреннего диаметра внешней трубы, также в дополнительной трубе выполнены боковые отверстия с общей площадью, равной сечению дополнительной трубы, при этом нижний край боковых отверстий расположен на расстоянии не ниже чем 0,5 их диаметра от нижнего края внешней трубы, подающей воду. Технический результат: повышение надежности и эффективности аэрации воды. 2 ил., 3 табл.

Аэратор воды, представляющий собой емкость с боковым трубопроводом ввода воды, внутри которой установлена труба для ввода воздуха, отличающийся тем, что емкость выполнена в виде внешней трубы, причем внутренняя труба для ввода воздуха установлена в ней коаксиально, а верхний зазор между трубами закрыт кольцевой заглушкой, при этом длина внутренней трубы составляет от 2 до 5 от внутреннего диаметра внешней трубы, сечение промежутка между трубами выбирается так, чтобы обеспечить скорость воды от 3 до 15 м/с, кроме того, на внешней трубе крепится вторая кольцевая заглушка, которая закрывает кольцевой зазор между внешней и дополнительной трубой, установленной коаксиально внешней и внутренней трубам, при этом внутренний диаметр дополнительной трубы составляет от 1,5 до 3,0 внутреннего диаметра внешней трубы, также в дополнительной трубе выполнены боковые отверстия с общей площадью, равной сечению дополнительной трубы, при этом нижний край боковых отверстий расположен на расстоянии не ниже чем 0,5 их диаметра от нижнего края внешней трубы, подающей воду.