Эжекторный аэратор

Предлагаемая полезная модель относится к технике для насыщения воды кислородом воздуха и может использоваться для аэрации, например, в системах очистки сточных вод или аэрации прудов.
Из уровня техники, а именно из изобретения «КОМПАКТНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД», патент RU 2015114, опубликован 30.06.1994 г. известен струйный аэратор, имеющий нижний сжатый выпуск и центральную всасывающую воздушную трубу. Данный аэратор снабжен вертикальными опускными трубами с отводами, обеспечивающими закручивание потока, а также напорным илопроводом для подачи активного ила в технологические емкости установки для очистки сточных вод. Также аэратор комплектуется реактивным распределителем на его нижнем конце, струйные аэраторы камеры аэрации снабжены присоединенными к нижним сжатым выпускам вертикальными опускными трубами с отводами на нижних их концах в виде колен, направленных в противоположные стороны для закручивания иловой смеси.
Недостатком данной конструкции является открытый раструбный вход для подачи воздуха и низкая степень диспергирования воздуха на начальном этапе. Также, для эффективности данной конструкции необходимо обеспечивать довольно большую скорость прохода жидкой среды в месте смешения сред, что увеличивает стоимость и эксплуатационные расходы (дополнительное насосное оборудование и повышенный расход электроэнергии).
Известен струйный аэратор «Кольцевое сопло» («Системы аэрации сточных вод» Г.С. Попкович, Б.Н. Репин. Москва, Стройиздат 1986, стр. 97.), представляющий собой цилиндр, переходящий в нижней части в конус для выхода воды. Вода поступает через входной патрубок. По воздушной трубке, проходящей внутри аэратора почти до конца конусного сужения, эжектируется воздух за счет разрежения, образующегося при обтекании трубки струей воды. По данным ЦНИИ МПС, скорость протока воды в сжатом сечении принимается 8-10 м/с, степень разрежения 2-4 м вод. ст. Один объем воды захватывает 1,5-2 объема воздуха. Скорость движения водовоздушной струи на выходе из аэратора 10-12 м/с. Объем водовоздушной смеси увеличивается по сравнению с объемом поступающей воды на 40-50%.
Недостатком данного аэратора является невозможность его применения для аэрации нижних слоев жидкости. Глубина аэрируемого слоя зависит от напора подаваемой жидкости и угла наклона струи. Значительная часть энергии струи тратится при пересечении границы сред (воздух-вода). При применении данного аэратора в емкостях со значительным столбом жидкостей, например, в аэротенках он показывает низкую эффективность.
Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Технической задачей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков. Техническим результатом является создание эжекторного аэратора, обеспечивающего интенсификацию процесса насыщения воды кислородом. Интенсификация процесса обеспечивается за счет оригинальной конструкции аэратора, обеспечивающей создание турбулентного режима в используемой для рециркуляции, например, водно-иловой смеси насосной обвязке, сопровождаемой высокой степенью диспергирования за счет несимметричной конструкции камеры смешения (кавитирующее тело - внутренний конец воздухозаборника, вварен с одной стороны трубопровода) и поворота на угол, близкий к 90°, в нижней части опускного трубопровода также осуществляется поворот от 45° до 90°.
Конструкция струйного аэратора, общий вид которого представлен на фигуре 1, содержит следующие элементы:
1. Напорный трубопровод.
2. Воздухозаборный узел.
3. Опускной трубопровод.
4. Форсунка.
5. Насос.
6. Делитель потока.
7. Отвод.
8. Воздухозаборник.
На данной фигуре представлен эжекторный аэратор, имеющий два воздухозаборника 8 и, соответственно, два воздухозаборных узла 2, два опускных трубопровода 3, две форсунки 4 и два отвода 7. Парность данных элементов обеспечивается наличием в конструкции делителя потока 6, который может разделить поток воды от насоса 5 на два и более потоков (на фигуре представлен делитель 6 на два потока), однако конструкция является полностью работоспособной и достигающей технического результата, и в случае отсутствия делителя потока 6 и, соответственно, отсутствия вторых воздухозаборного узла 2, опускного трубопровода 3, форсунки 4 и отвода 7.
Дренажный насос 5 соединен, преимущественно посредством муфтового соединения, с напорным трубопроводом 1. Напорный трубопровод 1 далее, либо через делитель потока 6 (в схеме с разделением на несколько потоков), либо напрямую, связан с отводом 7, в котором также обеспечен вход воздухозаборника 8 и выход на опускной трубопровод 3, который, далее, связан с установленной в придонной области форсункой 4.
Дренажный насос 5 может устанавливаться как в непосредственной близости от дна емкости, так и верхних горизонтах (на фигуре показано придонное расположение насоса) в зависимости от технологической необходимости.
Напорный трубопровод 1 своей нижней оконцовкой соединен, преимущественно посредством муфтового соединения, с дренажным насосом 5, также для увеличения устойчивости может дополнительно крепиться на штанге или к стенке емкости; напорный трубопровод 1 установлен в положение, близкое к вертикали и в своей верхней части имеет изгиб на угол около 90° (±10°) так, что его верхняя часть находится в положении, близком к горизонтали.
Верхняя горизонтальная часть напорного трубопровода 1 соединена, посредством отвода 7, с опускным трубопроводом 3; при этом место соединения горизонтальной части напорного трубопровода 1, отвод 7, верхняя оконцовка опускного трубопровода 3 и воздухозаборник 8 образуют воздухозаборный узел 2 (фигура 2).
Воздухозаборник 8 представляет собой П-образный трубопровод, по крайней мере одна из оконцовок которого имеет срез под углом, примерно равным 45° (±10°) относительно оси трубки. Данный угол среза является наиболее оптимальным для обеспечения интенсивности перемешивания поступающего воздуха с потоком воды. В случае, если оконцовка воздухозаборника будет срезана под более тупым углом эффективность аэратора будет снижена. Диаметр трубопровода воздухозаборника 8 меньше, чем диаметр остальных труб, например, напорного трубопровода 1 и/или опускного трубопровода как минимум в два раза. Воздухозаборник 8 жестко крепится в предварительно устроенном отверстии в отводе 7, преимущественно методом сварки.
Воздухозаборник 8 связан с отводом 7 таким образом, что упомянутый срез одной из оконцовок размещен внутри отвода 7, причем данная оконцовка размещена внутри отвода 7 таким образом, чтобы сторона трубки, имеющая образующую максимального размера была обращена в сторону горизонтальной части напорного трубопровода 1, то есть перпендикулярно вектору потока воды; при этом нижний край среза располагается примерно на уровне внутренней нижней стенки горизонтальной части напорного трубопровода 1.
Опускной трубопровод 3, либо через отвод, либо напрямую, своей нижней оконцовкой соединен с форсункой 4. Форсунка 4 может быть расположена относительно опускного трубопровода 3 под углом от около 0°, то есть примерно параллельно дну и примерно перпендикулярно опускному трубопроводу 3 до угла в - 90°, то есть направлена своим свободным концом в сторону дна. В первом случае происходит интенсивное перемешивание слоев близких к уровню установленной форсунки; во втором случае (направленности в сторону дна) струя направлена в дно, происходит взмучивание осадка, в результате чего слои жидкости глубоко перемешиваются отраженной струей. Также такое расположение (по направлению к дну) обеспечивает, за счет поворота потока в трубопроводе дополнительное уменьшение (размельчение) пузырьков воздуха в жидкости: поток упирается в стенку трубопровода, усиливается эффект турбулентности, пузырьки воздуха разбиваются и становятся меньше, что в конечном счете увеличивает степень растворения кислорода воздуха в воде.
Трубопроводы и все конструктивные элементы аэратора (за исключением насоса) выполняются из полимерных трубопроводов, преимущественно из полипропилена.
Работа предлагаемого эжекторного аэратора происходит следующим образом. Насос 5 подает воду в напорную магистраль 1. При прохождении потока перекачиваемой воды через отвод 7, вход в который является конфузором, при повороте на угол, примерно равный 90° за вмонтированной оконцовкой воздухозаборника 8 (эта зона является одновременно диффузором), создается зона пониженного давления, благодаря чему происходит интенсивный подсос воздуха через воздухозаборник 8. Внутренняя часть воздухозаборника, одновременно выполняющая функции кавитатора, создает местное гидравлическое сопротивление и способствует возникновению турбулентного потока, эффект которого усиливается поворотом потока на этом участке на угол, примерно равный 90°. Поступающий через воздухозаборник поток воздуха, разбивается на мелкие воздушные пузыри и интенсивно перемешивается с потоком воды. Важным условием обеспечения данного эффекта является то, что диаметр воздухозаборника не должен превышать 50% внутреннего диаметра магистрали аэратора и обычно составляет от 8 до 25 мм, при диаметре трубопровода обвязки 20-63 мм. Далее водно-воздушная смесь устремляется по опускному трубопроводу 3 в заданные слои аэрируемой жидкости. При продавливании водного столба в опускном трубопроводе 3 и выходе потока из форсунки 4 начинается процесс еще более интенсивного забора воздуха. До этого момента происходит частичная потеря напора через воздухозаборник 8, поэтому конструктивно он выполнен П-образным, для направления водно-воздушной смеси обратно в емкости. Форсунки аэратора 4 расположены под углом от 45° до 90° к опускному трубопроводу, что дает возможность создавать направленное течение в аэрируемых емкостях и взмучивать, и перемешивать образующиеся в технологических процессах осадки.
Как было указано выше, при необходимости к одному насосному агрегату, посредством делителей можно подсоединять две и более магистрали с узлами забора воздуха, опускными трубопроводами и форсунками, т.е. выполнять одновременно циркуляцию воды и аэрацию в двух и более технологических емкостях.
2
Предлагаемая конструкция делает возможным применение эжекторной (струйной) аэрации без работ по дополнительной наладке и регулированию, как в процессе запуска устройства, так и в процессе последующей его эксплуатации, при этом достигается концентрация растворенного кислорода в аэрируемой воде до 5-7 мл О/л. Необходимая для многих технологических процессов циркуляция воды, выполняемая при помощи насосного оборудования и трубопроводов, таким образом, без существенных дополнительных расходов может получить дополнительную функцию - аэрацию.