Способ подачи воздуха и получения циркулирующих потоков воды Советский патент 1991 года по МПК C02F3/20 

Изобретение относится к обработке больших объемов в естественных или искусственных водоемах за счет созДа ния циркулирующих потоков воды под действием подаваемых воздушных масс в виде пузырей.

Цель изобретения - повышение эфг- фективности процесса циркуляции воды

На фиг„1 показан вид спереди с разрезом одного из вариантов устрой - ства, используемого при выполнении способа; на фиг02 «- то же, второго варианта устройства; на фиг„3 «- фик зависимости скорости воздуха от количества подаваемого воздуха; на фиг„4 «- то же, от времени; на фиг,5«- схема, иллюстрирующая принцип дейст«- вия устройства для реализации предлогженного способа; на - схема варианта с укороченным временным интервалом подачи дискретных воздупг- ных масс; на фиг„7 г- схема варианта, в котором использован предложенный временной интервал; на фиг,8 « гра«- фик зависимости скорости воздуха от времени согласно фиг07; на фиг„9 «- график зависимости скорости воздуха от времени по вариантам 9 и 12 ретекия; на фиг 010 г- график зависи - мости скорости воздуха от времени в вариантах 8 и 11 изобретения; на фиг о 1 1 - график зависимости скорости воздуха от времени при непрерывной подаче воздушных масс в виде пузырей; на фиг о 12 г- схема распределения выпускаемой вслед за воздушной ма ссой

о vj

сь

и

в виде пузыря водяной струи; на фиг„ 13 f схема иллюстрирующая ление углубления на поверхности воды непосредственно над трубой

Согласно предложенному способу rtor дача и формирование воздушной массы в виде пузыря через заданные времен ные интервалы происходит за счет воздуха, содержащегося в каждой вбз«- душной массе объемом 0,3 г- 1,75 сфе - рического объема с диаметром, делеяемым диаметром трубы Конструк - ция устройства, используемого для рёа лизации настоящего способа, должна удовлетворять этим требованиям,,

В табл 1 отражены полученные экспериментально оптимальные диапа - зоны значений потребного объема в6з«- духа о

В табло2 представлены значения расхода воздуха, рассчитанные на основе данных по табл 1

Из табл„2 следует, что для кажДо - го данного количества воздуха чем меньше объем воздушной камеры, тем больше количество воды, проходящей под действием воздушной массы в виде пузыря восходящим потоком по трубео Обнаружено также, что чем больше ко«- личество воздуха (подаваемого в воз«- душную камеру), тем больше количест - во воды, при этом наибольшее чество воды получают при количестве воздуха в диапазоне 0,30 1,25 от сферического объема (определяемого диаметром трубы)„ Однако в диапазоне 0,3 - 0,5 от сферического объема временной интервал подачи воздуха должен быть укорочен Б этом случае не обеспечивается полное использоваг- ние энергии восходящего потока воды, движущегося под действием силы инер«- ции после прекращения воздействия на него воздушной массы в виде пузыр Следовательно, оптимальным с точки зрения практически является диапазон 0,75 « 1,25, который обеспечивает высокую эффективность работы устройства При значении ниже 0,75 колиг- чество воды, обрабатываемой с щью данного объема подаваемого вОз духа, оказывается относительно малым как и при значении выше 1,25.

Кроме того, необходимо учитывать конструкцию воздушной камеры, печивающей подачу дискретных воздупр- ных масс в виде пузырей с регуляр«- ными временными интервалами Хотя

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

практическим требованиям, в частнос ти как простота конструкции и обслу - живання, надежность в работе, удов«- летворяет воздушная камера сифонного действия могут быть использованы источники воздуха и других типов, например автоматический клапанный насос, насос с возвратйог-поступа тельным ходом поршня и другие извест ные устройства При этом воздушная камера сифонного действия может раз«- мещаться в любой точке, удаленной от зоны нижнего конца трубы, а также жет быть снабжена воздушными насад ками, проходящими либо в нижний ко«- нец, либо в стенку трубы

В предложенном способе использо вано действие восходящих по вертикальной трубе, верхний конец которой леэит под поверхностью воды, ретных воздушных масс в виде рей, сопровождаемых подъемом донной воды в виде восходящего потока

При этом должны удовлетворяться следующие условия:

0,5 L Т 4-6 L для L 10 м

0, для 2м L Юм

L Т для L 2 м где L - длина хода восходящей по тругбе воздушной массы, м; Т «- временной интервал подачи каждой, следующей воздушной массы в виде пузырей, с

Соблюдение указанных условий обеспечивает снижение эксплуатационг- ных расходов при повышенном КПД цесса

Фильтросная труба обычно погруже - на в воду на глубине, при которой ее верхний открытый конец лежит на глу«- бине 1 г- 20 м ниже поверхности воды При обслуживании более глубокого доема нижний конец трубы устанавли - вается вблизи дна водоема с возмож - ностью подъема донной воды, а ний конец может лежать на глубине 20 « 30 м от поверхности воды Для трубы длиной более 2 м и менее 10 м временной интервал Т должен лежать в диапазоне 5 30 с, для трубы ной более 10 м - 15 «- 100 с, для трубы длиной 10«- 20 г- 80 с.

При погружении верхнего конца трубы на глубину 5 - 10 м от поверх - ности скорость восходящей воздушной массы в виде пузыря составляет 1 м/с, вода поднимается восходящим потоком под действием восходящей воздушной

массы в виде пузыря, которую сопрог- вождает водяной поток (штрихпунктир- ная линия А на фиго12)«, Далее вода по стрелке 35а поднимается вверх, откуда распределяется в радиальных направлениях по стрелкам 36б0 Экспе риментально определено, что максималный расход обеспечивается при про«- хождении воды на глубине 1 м от верхности (при условии, что верхний конец трубы лежит на глубине 5 м от поверхности)„ При подъеме воды с меньшей скоростью, что неизбежно при водит к резкому уменьшению объема выпускаемой струей воды, лежащая над трубой поверхность воды образует впа дину, показанную на фиг.12, вследст вие чего окружающая вода 38 гивается в зону впадины по стрелке 35в. В этом случае восходящий поток донной воды (с температурой 10°С) смешибается с поверхностной водой (с температурой 20°С) и приобретает температуру 18°С„ Объем поверхност ной воды в 5 раз превышает объем донной воды. Полученная смесь распре деляется в радиальных направлениях„ По мере распределения разность ператур донной и поверхностной воды уменьшается, а поток распределенной воды может проходить на глубину 1 «- 3 м, охватывая большую площадь, эаг- частую с радиусом более 1000 мс

Применение способа в водохранилищ щах с профилем, показанным на фиг06 и 7, обеспечивает-большую площадь циркуляции, как показано стрелками Зба, б и в„

Скорость восходящего по трубе под действием воздушной массы в виде пузыря 19 потока воды достигает мак симального значения в момент достис- жения воздушной массой верхнего конц трубы0 После этого вода медленно под нимается по инерции. В процессе подъ ма по трубе следующей сформированной воздушной массы в виде пузыря скорос воды увеличивается за счет действия этой массы (при измерении у нижнего конца трубы)о

На фиг.8 г 11 иллюстрируется зависимость изменения скорости (м/с) от изменения временного интервала, в течение которого формируется и ется воздушная масса в виде пузыря. Все представленные графики построены для трубы длиной 10 и На фиг „8 пред ставлена кривая скорости по времени

при интервале 30 с. Кривая на фиг 9 построена для интервала 15 с Измене - ние скорости при интервале 10 с ставлено кривой на фиг, 10 Кривая на фиг.11 отражает случай непрерывной последовательной подачи воздушных масси

Целесообразны временные интервалы,

показанные на фиг0 8 и 9. Как указа«- но, при подъеме воздушных масс в нигде пузырей с наиболее коротким интёр - валом (фигэЮ) зона, лежащая средственно над трубой, окажется заг5 полненной только водой, выпускаемой из трубы Поскольку смешивания воды не происходит, восходящий воды не испытывает воздействия окружающей воды, вследствие его возникает разность температур, Так, темпе - ратура восходящего потока воды после выхода из трубы не превышает 15° С при исходной температуре 10°Сг, Такая большая разность температур приводит

5 к ограничению конвекционной циркуля - ции воды небольшой зоной вокруг трубы (фиг56), т„ео зона распределения воды ограничена радиусом менее 10 м„ Это означает что струя не распредег0 ляется в зоне достаточно большого радиуса,

Одним из качественных показателей воды, улучшению которых способствует

с фильтросная труба 1, является увеличенное количество растворенного в вое- до емах кислорода. Поскольку в воздухе, поступающем от любого источника, содержание кислорода является отно«0 сительно низким, для улучшения этого показателя воды при обслуживании, в частности крупных водохранилищ, полезно использовать трубу ограниченной производительности о Для ема с содержанием воды 0,5-1 млн„т0 приходится использовать одну или две фильросные трубы диаметром 40 см и длиной Юме тем, чтобы за корйт - кое время ввести в воду дополнителы0 ное количество растворенного кисло«- рода. Известен способ улучшения чества воды, согласно которому верхностная вода, содержащая большое количество кислорода, смешивается с

г донной водой, бедной кислородом, в результате чего повышается общее держание кислорода в воде„ Это эффекг- тивный и простой способ улучшения качества воды за счет использования

известных фильтросных труб, установленных на дно водоема„

Предложенным способом предусмот - рено точное определение временного интервала и подаваемых в течение этого интервала дискретных воздуш- ных масс в виде пузырей способом, рассмотренным ниже„ Это условие необходимо не только для снижения

эксплуатационных расходов, но и для улучшения качества водьц

Примеры соотношений между диаметром трубы л количеством подаваемого воздуха (фиг 1 - 4)о

Пример К Используют фильтг- росную трубу 1 диаметром 20 см и длиной 2,5 м (в следующих примерах речь идет о трубе той же длины для подъема воздушной массы в виде пузы ря, установленной на глубине А м от поверхности воды), У нижнего конца трубы 1 установлена питающая воздуш- ная камера 2 емкостью 3,1 л (тсе„ О,75 объема воздушной камеры)„ В

воздушную камеру 2 воздух подают со скоростью 2,5 м3 /ч, а воздушные сы в виде пузыря подают со скоростью 10 масс в минуту„ Каждая сформиро - ванная в виде пузыря воздушная масса восходящая по трубе 1, увлекает воду В целом средняя скорость восходя - щего потока воды, сопровождавшей воздушную массу в виде пузыря, составляет 0,5 M/CC

I

Пример 2, Используют трубу 1, описанную в примере 1, Емкость воздушной камеры 2,1 л Гт.е 0,50 объема воздушной камеры) . Воздух дают в воздушную камеру со скоростью 2,0 м3/ч с формированием 12 воэдуш- ных масс в виде пузырей в минуту,. Средняя скорость проходящей по трубе воды С}46 м/с с

Пример Зс Используют трубу 1 по примеру 1, Емкость воздушной камеры 2 1,3 л (т„е 0,3 воз- душкой камеры), Скорость подачи возг- духа Б воздушную камеру 2,0 м3/ч с формированием 19 воздушных масс в виде пузырей в минуту,. Средняя рость воды 0,46 м/с

Пример 4 Используют трубу 1 по примеру 1, емкость воздушной камеры 5,2 л (т.е. 1,25 объема воз-душной камеры) Скорость подачи воздуха в воздушную камеру 2,0 м3/ч с формированием 5 воздушных масс в ми

Q 5

о

о 5

5

нуту„ Средняя скорость восходящего потока воды в трубе 0,38 м/с„

Пример 5„ Используют трубу 1 по примеру 1, емкое1ь воздушной камеры 6,3 л (т„е„ 1,50 объема душной камеры)„ Скорость подачи воз духа в воздушную камеру 2,0 м3/ч с формированием 4 воздушных масс в нуту„ Средняя скорость потока воды 0,31 м/с

В следующих примерах рассмотрено устройство для использования ленным способом

Пример 6 о Согласно фигс1 предложенное устройство содержит фильтросную трубу 1, нижний конец которой охвачен воздушной камерой 2, сообщающейся с трубой К нижнему кон ДУ трубы с помощью цепи 3 прикреплен груз 4, которьй лежит на дне 5 водог- ема и обеспечивает неподвижную ус тчновку трубы,, Верхний конец трубы 1 снабжен камерой 6 плавучести5 модействие которой с нижним грузом 4 позволяет удерживать трубу 1 под водой в вертикальном положении,,

Воздушная камера 2 имеет наружную 7 и внутреннюю 8 оболочки, отделен ные одна от другой, но сообщающиеся между собой Оболочки 7 и 8 образуют два воздушных отсека, разделенных разделяющей оболочкой 9„

В наружную оболочку 7 через верх нюю крышку 10, жестко установленную над воздушными отсеками 7 и 8, пущен мланг 11 для подачи воздуха от любого источника воздуха (не пока зан)с Через воздушный шланг 11 в на правлении стрелки 12 в воздушную камеру 2 подается сжатый воздух„ По мере накопления воздуха в воздушной камере 2 постепенно понижается вснь заполняющей воздушную камеру 2 воды - потоки 12 и Зо После понижения уровня воды до уровня, при котором оказываются открытыми отверстия 14, обеспечивающие связь между воздушной камерой 2 и трубой 1, заполняющей воздушную камеру 2 воздух проходит наружной оболочки 8 через разде ляющую оболочку 9 во внутреннюю обо лочку 7, а затем в зазор между внутренней оболочки 7 и наружной стенкой трубы по стрелкам в потоки 15, 16 и 17с. И, наконец, через верстия 14 поток 18 воздух поступает через трубу, где формируется воздупг ный пузырь или воздушные массы в . У16

де пузырей 19„ При подъеме по трубе 1 воздушный пузырь 19 расширяется до размеров диаметра трубы 1 а Это обес- печивает тесный контакт его с ренней стенкой трубы 1 . Затем подъем - ная сила воздушного пузыря преобра зуется в подсасывающую и воздействует на лежащую под воздушным пузырем ду Постепенно скорость подъема душного пузыря возрастает, пока он не достигнет верхнего конца трубы 1„ После выхода воздушного пузыря 19 прекращается его подсасывающее воз действие на воду, которая продолжает подниматься по инерции0 На фигс4 казана кривая изменения скорости восходящего потока воды„ До полной поТе«- ри собственной подъемной силы воды и спустя заданный временной интервал подается следующая воздушная масса в виде пузыря „ Таким образом, вода гоняется следующим пузырем до тех пор, пока он не достигнет верхнего конца трубы и не выйдет из нее,

после чего вода выбрасывается в виде струи.

Пример 7 о Согласно варианту на фиг о 2 устройство содержит оболочг- ку 20 и отдельную воздушную камеру 21, расположенную под трубой 10

Кроме того, устройство содержит фильтросную трубу 1 и промежуточный воздушный канал в оболочке, прохоДя - щий между трубой 1 и воздушной камее- рой 21 о Один конец оболочки 20 воз душного канала входит в нижнее верстие трубы 1, а противоположный конец - в воздушную камеру 21 и ружную оболочку 22, образующие два отдельных воздушных отсека„ Воздушные отсеки сообщаются между собой чег- рез отверстия о Поверх воздушных отг- секов жестко закреплена верхняя ка 23, а к внутреннему воздушному

отсеку прикреплена нижняя пластина 240 От любого источника сжатого воз духа (не показан) в воздушную камеру 25 через верхнюю крышку 23 проходит питающий воздушный шланг 26. Воздух по стрелке 27 подается по воздушному шлангу в воздушную камеру 25, в котог- рой он накапливается о По мере накош- ления воздуха понижается уровень воды в воздушной камере (по стрелке 28)„ После того, как уровень воды опустил - ся до нижнего конца оболочки 20 в6з«- душного канала, открывая его дно, воздух пропускается из наружного воз

61

К)

душного отсека по стрелкам 29, 30, 31 во внутренний воздушный отсек че рез отверстия 320 Из внутреннего Bos душного отсека воздух проходит в обо« лочку 20 воздушного канала, из верх«- него конца которого он по стрелке 33 проходит в трубу 1 j На пути от обол6ч ки 20 воздушного канала в трубу 1 воздух образует массу 34 в виде пузыря, Как и в примере 6, воздушный пузырь 34 расширяется в процессе подъема по трубе 1 и тесно контакти«- рует с ее внутренней стенкой, По ме«- ре подъема воздушного пузыря лежащая ниже вода подсасывается водщуным пузырем и также поднимается с возрас - тающей скоростькь

В каждом из двуу описанных вариан - тов устройства воздушная камера имеет малую емкость, поэтому расход воды увеличивается с увеличением числа формируемых за данный отрезок време - ни воздушных пузырей. Чем меньше кость, тем больше число воздушных пуе- зырей, но при слишком малой емкости происходит непрерывное формирование воздушных пузырей, Это приводит к снижению производительности в целом и уменьшению объема обрабатываемой воды

С другой стороны, при большой ём кости воздушной камеры (равной 1,5 объема воздушной камеры и более) край не резко уменьшается средний расход воды. В этом случае не полностью ис«- пользуется инерция воды, подсованной предыдущей воздушной массой„ Это так«- же снижает производительность устрой - ства в целом

Поэтому емкость воздушной камеры должна составлять 0,3 - 1,2 объема подаваемого воздуха., Такой диапазон в целом отвечает требованиям эксплуа«- тации.,

Оптимальный диапазон значений «- 0,75 - 1,00 объема подаваемого воз«- духа :- обусловлен тем, что непрерыв - ное формирование воздушных масс может привести к уменьшению производитель - ности, как было разъяснено.,

В приведенных ниже примерах демонстрировано соотношение между длиной пути восходящей воздушной массы и временным интервалом подачи таких воздушных масс,,

Пример 8„ Используют фильтс- росную трубу 3 диаметром 40 см и длиной 10 м (фиг06)„ Параметры жающей среды: глубина водохранилища,

в котором была установлена труба 3, составляет 21 м, температура поверх ностной воды 20°С, температура донной воды +10°С0

Воздушные пузыри 4 формировались через каждые 10 с0 На фиг „10 показаг- ны изменения скорости в функции мениг начиная с момента образования

ВОЗДУШНОГО ПуЗЫрЯ И ДО Верхнего

ца трубы Полученная таким образом волна имеет-максимальное значение скорости 1,4 м/с и минимальное зна чение 1,1 м/с. Фиг.6 иллюстрирует циркуляцию воды за счет разности

температур (под действием конвекции) Стрелками 37а и б обозначен поток воды с

Пример 9« В условиях приме:- ра 8 воздушные пузыри формировались каждые 15 сt Результаты отражены на фиг09,где максимальное значение но 1,4 м/с, а минимальное - 0,6 м/с

Пример 10„ 8 условиях при мера 8 воздушные пузыри формировав лись каждые 30 с. Полученная кривая показана на фиг„88 где максимальное значение составляет 1,4 м/с, а минимальное «- 0,2 м/с,

Водяная струя может распределять- ся в радиальных направлениях в зоне с большим диаметром, т„ес на расстоя нин 1000 м от места установки трубы„

Пример 11„ В данном примере выбран водоем глубиной 30 м, темпера тура поверхностной воды 20°С, а дон ной 8°С„ Диаметр установленной трубы 40 см5 а длина 20 м„ В этих условиях воздушные пузыри формировались каждые 25 Со Полученная кривая не чалась от показанной на фиг,10,

Пример 120В условиях примера 11 воздушные пузыри формировались каждые 25 ct Полученная кривая не отличалась от показанной на фиГо9„

Пример 13„ Трубу диаметром 40 см, длиной 2 м (с каналом для подъема воздушной массы длиной 1,5 м установили в водоеме глубиной 5 м с температурой поверхностной воды 20 С и донной воды 15°С. Воздушные пузыри формировались каждые 6 с. Полученная кривая не. отличалась от показанной на фиг„8„ При формировании воздушных масс каждые 4 с получили кривую, по каэанную на фиг„9„

Приведенные описания различных вариантов реализации изобретения казывают преимущества изобретения в

5

0

5

0

о

5

„

5

части полного использования энергии, создаваемой воздушной массой Это позволяет повысить энергетический КПДс Откуда определяют емкость воздушной камеры, а именно 0,75 - 1,25 объема воздушной массы в виде пузыря.

Кроме того, определяется конкретг- ное Соотношение временного интервала Т, через который подается воздушная масса или пузырь, и длины пути, котог- рый проходит по трубе воздушный пузырь, т„е0 Т определяется из формул:

0,5 L Т (4-6)L для L-. 10 м;

0,5 L ,Ј 10L для L 10м;

L Т для L 2 м,

Соблюдая эти условия, можно личить эффективность подсасывания и распределения воды. Количество воренного в воде кислорода можно увеличить за счет принудительной цир куляции воды между поверхностью и дномс Кроме того, предложенное ройство для выполнения способа харак - теризуется высокой надежностью

Формула изобретения

1 „ Способ подачи воздуха и получе - ник циркулирующих потоков воды, чаюший формирование дискретных душных пузырей с заданным временным интервалом, подъем донной воды путем подсоса воды и ее ускорение каждьгм из воздушных пузырей, поднимающихся по вертикальной фильтросной трубе, положенной ниже поверхности в естест ченном или искусственном резервуаре, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процёс са циркуляции, объем каждого формируег мого воздушного пузыря составляет 0,75 г- 1,25 сферического объема с диаметром, равным внутреннему диаметс- ру фильтросной трубы, при этом

0,5 L (4-6) L для L 10 м;

0,5 L Т 10 L для 2 м L 10 м;

L Т для L 2 м,

где L - длина пути воздушного пузыря, поднимающегося по фильтросной трубе; Т «- временной интервал подачи

каждого следующего пузыря, с„

2. Способ, по п.1, отличаю щ и и с я тем, что временной интер - вал подачи пузырей составляет 5 - 30 с для трубы более 2 м и 15 100 с для трубы длиной более 10 м„

3. Способ по п.1, отличаю - щ и и с я тем, что фильтросная труба установлена в естественном или искусственном резервуаре вертикально и верхний ее торец расположен на глуОн«- не 1 - 20 м от поверхности воды

Изобретение относится к обработке воды в естественных и искусственных водоемах. Цель изобретения - повышение эффективности процесса циркуляции воды. Способ предполагает использование устройства, создающего струи воды с помощью вертикальной фильтросной трубы за счет подачи с регулярными временными интервалами дискретных воздушных масс в виде пузырей, подъем которых сопровождается подъемом воды за счет подсоса. Способ обеспечивает повышение эффективности обработки воды и производительности устройства за счет дозирования объема воздушной массы в соответствии с диаметром конкретной фильтросной трубы и выдерживания определенного отношения между длиной T(м) пути восходящего потока воздушных пузырей в упомянутой трубе и временным интервалом T(с) образования воздушных масс в виде пузырей. 13 ил., 2 табл.

Таблица

Средняя скорость Соотношение между объемом воздушной камеры и количеством подаваемого вочдуха

П р и м е ч а пня: при испытаниях использовано устройство с трубой

диаметром 200 мм, длиной 2,5 м;

объем воздушной камеры равен сферическому объему, диаметр которого определяется диаметром трубы, к соответствующему количеству воздуха и одной дискретг нон воздушной массе в пиде пузыря;

значение количества подаваемого воздуха определено при атмосферном давлении и температуре 20°С„

Таблица 2

Средний расход воздуха„ Соотношение между объемом воздушном камеры и количеством подаваемого воздуха

Примеча кия: объем воздушной камеры измерен при атмосферном

давлении и температуре 20°С;

значения количества воздуха даны для одного подаваемого объема и составляют 80-100% объема воздушной камеры, тье„ равны сферическому объему, умноженному на х„

1

г.

ЧС

См

#

«NJ

i

J

W tT

$

07

0.6- 0.5.

ОЛ

03

0.2

0.1

0.

0.75

234-56 (

l/77/sec) 3

1 0

0.5

75

фиг Л

(sec)

77/ 7/7 /// /// //Y /// ///

(pus. 5 3

37a

t

%

ч 7

V

37& i lib 5 фие.б

V44 ЧЧЧ

%

37at Z.

v.

ЗбЪ

s

36c

0t гпф

(ж)

9 глф

(s)

191U9L

L I Ј

i

О

I

г

Э

I

вглф

о

«о Ъ

О

(а Ъ г

фиг 12

355

J5а