Способ забора воды из верхних слоев водоема и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E02B9/04 

сл

с

Использование: для забора воды из верхних слоев стратифицированных водоемов Сущность изобретения: в глубинных слоях водоема создают вращательное относительно вертикальной оси движение воды, а в поверхностных слоях водоема вращательное движение воды подавляют. Прием воды осуществляют в трубу 6 из центральной зоны вращающегося потока. Вращательное движение воды создают посредством цилиндрической стенки 8, установленной на дне водоема, и сопл 7, расположенных тангенциально ей, а подавление вращательного движения воды в поверхностных слоях водоема осуществляют посредством радиальных пластин 4, установленных на понтоне 3. 2 н.п,ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к водозаборным соорудениям на глубоких водохранилищах, и может быть использовано в энергетике, экологии и мелиорации.

Для улучшения термического режима реки ниже глубокого водохранилища, для забора более теплой воды на полив растений и в ряде других случаев желательно, чтобы в водозабор попадала жидкость преимущественно из верхнего слоя водохранилища, а захват жидкости из нижнего слоя был ограничен или совсем исключен.

Известен способ решения этой задачи, заключающийся в том, что водоприемное отверстие располагают целиком в верхнем слое, причем с помощью различных технических устройств горизонт нижней кромки отверстия меняют в зависимости от колебаний границы раздела между верхним и нижним слоями так, чтобы отверстие все время оставалось в верхнем слое. Способ основан на той физической закономерности, что при наличии в водоеме устойчивой стратификации по плотности вовлечению в отверстие более тяжелой жидкости из нижнего слоя препятствуют силы плавучести.

Опыт показывает, однако, что при слабой стартификации и больших расходах забираемой жидкости, типичных для реальных инженерных сооружений, силы трения между слоями преобладают над силами плавучести, и последние оказываются неспособными противодействовать вовлечению жидкости из нижнего слоя. Если определить коэффициент эффективности способа j3 как отношение расхода 02 той жидкости, которая забирается из верхнего слоя, к общему забираемому расходу Qo, то в реальных условиях этот коэффициент о сл

to

00

VJ

жет оказаться значительно меньше единицы.

Известен способ увеличения коэффициента эффективности отсоса верхней жидко- сти путем дополнительного использования сил инерции вращательного движения 1.

Недостатком способа является то, что в нем не предусмотрен механизм создания вращательного движения. Оно создается под действием неконтролируемых случайных факторов, причем не только в нижнем, но и в верхнем слое, так что центробежные силы инерции препятствуют вовлечению в водозабор и более легкой, и более тяжелой жидкостей. Положительный эффект при этом способе возможен только для несмешивающихся жидкостей типа воды и нефти с сильно отличающимися физическими свойствами.

В качестве прототипа предлагаемого решения выбран патент Франции № 1598073, кл. Е 02 В 15/00, 1970 2. В нем создается контролируемое вращательное движение жидкости у водозабора, но остут- ствуют специальные меры для подавления вращательного движения в верхнем слое.

Устройства для реализации этого способа содержат расположенный у поверхности водоема цилиндрический сосуд, внутри ко- торого создается вращательное движение, и трубопровод, через которых отсасывается более легкая жидкость из приосевой зоны цилиндрического сосуда. Устройства обладают недостатком способа: центробежные силы инерции препятствуют отсосу не только более тяжелой, но и более легкой жидкости. Кроме того, в этих устройствах имеет место интенсивное перемешивание, и стратификация (а вместе с ней и силы плавуче- сти) может сохраниться только для жидкостей с сильно отличающимися физи- ко-химическими свойствами типа воды и нефти, воды и твердых частиц и т.д. В водоемах стратификация, причем очень слабая, создается за счет изменения температуры однородной по составу жидкости - воды, поэтому перемешивание приводит к исчезновению стратификации и сил плавучести, на использование которых рассчитан спо- соб.

Целью изобретения является повышение интенсивности отсоса верхнего слоя устойчиво стратифицированной по плотности жидкости из глубокого водоема путем со- здания вращательного движения в нижнем слое и подавления вращательного движения в верхнем слое.

В предлагаемом способе наряду с силами плавучести или даже в противодействие этим силам (при расположении водозаборного отверстия в нижнем слое) активно используются искусственно созданные центробежные силы инерции. Суть способа состоит в том, что в нижнем слое создают вращательное движение вокруг вертикальной оси, проходящей через водоприемное отверстие. У центра вихря образуется область пониженного давления, куда устремляется жидкость из тех слоев, где вращательное движение отсутствуют. Эффективность такого механизма демонстрируется сильной засасывающей способностью атмосферных вихрей типа торнадо. Принципиальной особенностью способа является подавление вращательного движения в верхнем слое, откуда и засасывается жидкость в область пониженного давления и в расположенное здесь водоприемное отверстие.

Для реализации способа устройство должно включать завихритель, расположенный в нижнем слое, и приспособление, подавляющее вращение в верхнем слое. Оптимальные конструкторские решения определяются конкретными особенностями прикладной задачи. Для водозабора в виде одиночной шахты или вертикальной трубы, расположенных достаточно далеко от берегов водоема, предложено устройство, состоящееизструензправляющейцилиндрической стенки, расположенной на дне водоема соосно с водоприемной трубой, одной или нескольких трубок, выходные отверстия которых служат соплами, ориентированными по касательным ко дну водоема и к струенаправляющей стенке, а также радиальных пластин, закрепленных на понтоне над водозаборным отверстием и предназначенных для подавления закрутки в верхнем слое.

На фиг.1 представлен вертикалный разрез схемы устройства; на фиг.2 - вид устройства сверху.

Устройство содержит насос 1 для подачи воды в сопла, лебедку 2, понтон 3, пла- стины 4 для подавления закрутки, закрепляющие понтон расчалки 5, водоприемную трубу 6, сопла 7, струенаправляю- щую стенку 8.

Устройство работает следующим образом.

При подаче расхода Q через сопла 7 с помощью насоса 1 в ограниченном стенкой 8 пространстве создается вращательное движение, которое из-за вязкости передается выше расположенной жидкости, в результате чего в нижнем слое формируется вихрь с вертикальной осью, образующий область пониженного давления у отверстия. Пластины 4 подавляют вращательное движение в

верхнем слое, создавая благоприятный для отсоса верхней жидкости градиент давления.

Из-за вязкости вращение жидкости отсутствует также в тонком пограничном слое на дне водоема. В решаемой задаче это неблагоприятный фактор. Для увеличения эффективности отсоса верхнего слоя нужно препятствовать подтоку жидкости в зону пониженного давления из придонного погра- ничного слоя. В предлагаемом устройстве эта цель частично достигается тем, что закручивающие струи выпускаются вдоль дна водоема.

В зимних условиях насос 1 и пластины 4 можно установить на льду, и необходимость в деталях 2,3 и 5 отпадает. Желательно, чтобы насос забирал воду из нижнего слоя.

При анализе эффективности устройства полезно рассмотреть схему двухслойной жидкости, когда при общей глубине водоема Н нижний слой имеет толщину Hi и плотность р , а верхний слой - глубину i H-Hi и плотность pi р . Эти параметры, а также полный расход забираемой жидкости Qo, ее кинематический коэффициент вязкости v и ускорение силы тяжести g в задаче заданы. Наиболее существенными параметрами устройства, варьируя которые, можно подбирать оптимальный режим его работы, являются диаметр D0 приемного отверстия, возвышение h0 этого отверстия над дном, диаметр D струенаправляющей стенки, ее высота h, число сопл m для закрутки жидкости, выпускаемый через них расход Q, суммарная площадь поперечного сечения сопел S, число пластин , для подавления закрутки, их длина I, высота 6 и заглубление b под свободную поверхность. Можно указать некоторые предельные оптимальные значения этих параметров для невязкой жидкости: , , ( ,, - Однако выполнить эти условия практически невозможно хотя бы из-за колебаний в реальных условиях глубин Н и Н2. На практике наиболее целесообразно подбирать оптимальный режим работы устройства путем вариации параметра Q/Q0.

Одним из критериев оптимальности является коэффициент эффективности

/3 Q2/Qo

где Q2 - расход, забираемый из верхнего слоя. Идеальным в задаче является /3 1. Еще одним критерием оптимальности может служить КПД устройства г.

При h0 Hi, т.е. при расположении отверстия в нижнем слое, для отсоса более легкой жидкости нужно затратить дополнительную мощность на преодоление сил плавучести

N1 piЈghi ghiQ0, где s fa-i/pi) -1, hi Hi-h0 0. Это полезная м ощность в задаче. При выпуске струй затрачивается мощность

N2 /91 Q3/2S2.

Верхняя жидкость может частично засасываться в отверстие и в отсутствие закрутки, так что из NI нужно вычесть величину

N0 Дз/oifigrnQo,

где /Зо - значение/3 в отсутствие закрутки. В результате

Ni-N0 2Q3-y30)Јghi Q0 S2

причем по определению/ - / 0 при .

Выполнены опыты, подтвердившие наличие заметного положительного эффекта от использования предлагаемых способа и устройства.

В качестве примера на фиг.З приведен фотоснимок картины движения жидкости к водозабору при следующих значениях упомянутых выше параметров задачи: Н/Do 12; Hi/Do 8,4; h0/D0 2,6; D/D0 18; h/D0 2,9; hi/Do 5,8; m 2; 4S/ 7t D02 0,072; 02 4; I/D0 30; b/D0 3; ,017; Q/Qo 0,042; D0 1,5 CM; pi 0,999 г/см3; Qo 453 см3/с. Верхний слой окрашен чернилами. Получено /3 0,36. В отсутствие закрутки при столь большом заглублении отверстия под границу раздела слоев (hi/Do 5,8) имело место /30 0, так что положительный эффект весьма значителен, Для этого опыта ,4%.

Формула изобретения

Фиг Л