УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФЛОКУЛИРОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR FLOCCULATION (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам для обработки воды, в частности к устройствам для флокулирования при очистке природных поверхностных вод для хозяйственных и питьевых целей, промышленных, сточных вод и для других аналогичных технологических процессов.
Известно устройство для смешивания жидкости, которое может использоваться и в системах водоподготовки, и очистки сточных вод, содержащее трубчатый корпус и смеситель в виде гофрированной полосы, участки которой расположены под углом друг к другу. Смесительный элемент имеет вырезы - сквозные окна для прохода потока. Полезная модель RU №75959, опубл. 10.09.2008 г.
Вставки устройства перекрывают значительную часть потока, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления устройства. Направление отклонения потока неоднократно меняется и возникают разнонаправленные вихри, что приводит к разрушению образовавшихся хлопьев.
Известно устройство для хлопьеобразования, содержащее цилиндрический корпус (трубу) с расположенными внутри корпуса неподвижными турбулизирующими вставками, выполненными в виде идентичных плоских восьмилопастных элементов, установленных на стержне соосно с корпусом, на равномерно возрастающем расстоянии друг от друга. Восьмилопастные элементы выполнены с перемычками между лопастями так, что перемычки делят пополам площадь свободного сечения трубы между лопастями. Авторское свидетельство СССР №858923, опубликовано 30.08.81, М.кл. C02F 1/52.
Это устройство имеет сложную геометрическую форму восьмилопаточных вставок, которые выполнены с перемычками между лопастями. Вставки перекрывают значительную часть потока, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления в местах их установки. Это приводит к снижению эффективности работы устройства и его надежности, так как вставки могут забиваться хлопьями. Кроме того, при прохождении обрабатываемых веществ через вставки образуются отдельные потоки с повышенными значениями локальных скоростей движения, и направления потоков могут пересекаться. Такой режим работы, как правило, приводит, наряду с укрупнением мелких хлопьев, к разрушению крупных.
6
Наиболее близким по выполняемой задаче является устройство, которое содержит соединенные друг с другом однотипные секции, каждая из которых включает диффузор, цилиндрический участок и конфузор. В цилиндрических участках и в конфузорах установлены неподвижные винтовые вставки. В цилиндрических участках - в виде цилиндрического двухзаходного винта, в конфузорах - в виде конического однозаходного винта. Размеры секций выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимые гидродинамические условия хлопьеобразования. При переходе обрабатываемой суспензии от одной секции к другой происходит рост хлопьев за счет слипания мелких частиц как друг с другом, так и с более крупными ранее образовавшимися флокулами. Патент RU №2142431, МПК C02F 1/52.
Недостатки такого устройства: снижение эффективности хлопьеобразования из-за разрушения ранее образовавшихся хлопьев вследствие недостаточной равномерности интенсивности перемешивания потока в поперечном сечении (хлопья, находящиеся на разном расстоянии от оси устройства, получают различную энергию), существенная потеря напора из-за последовательного расположения секции, а также значительная металлоемкость устройств.
Задачей изобретения является разработка конструкции, позволяющей обеспечивать эффективное хлопьеобразование коагулируемых примесей с низкой потерей напора, поступающей на очистку воды.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости хлопьеобразования и увеличение массы образуемых хлопьев.
Технический результат достигается двумя вариантами. По первому варианту устройство для флокулирования содержит корпус и установленные в нем вставки, при этом в корпусе размещены, по меньшей мере, две вставки, выполненные в форме профиля крыла и установленные под углом к корпусу и направлению движения потока, угол наклона профиля крыла составляет 5-21°, на выходе корпус снабжен направляющими угловыми вставками.
По второму варианту устройство для флокулирования содержит корпус и установленные в нем вставки, при этом в корпусе размещены, по меньшей мере, две вставки, выполненные в форме профиля крыла и установленные под углом к корпусу и направлению движения потока, при этом начало профиля крыла выполнено в форме предкрылка, обращенного к центру потока, а между корпусом и профилем крыла по обе стороны вставок установлены, по меньшей мере, две направляющие, расположенные под углом к корпусу, угол наклона профиля крыла составляет 5-21°, на выходе корпус снабжен направляющими угловыми вставками.
Отличительными признаками устройства являются: вставки в форме профиля крыла и их расположение, угол наклона, угловые вставки, а по второму варианту: вставки в форме профиля крыла, наличие предкрылка, их расположение, угол наклона, угловые вставки.
Известно, что при обтекании твердого тела поток подвергается деформации, что приводит к изменению скорости, давления, температуры и плотности в струйках потока (Фабрикант Н.Я., Аэродинамика, ч., - Л, 1962; Прандтль Л. Гидроаэродинамика, пер. с нем., 2 изд., М., 1951; Мартынов А.К. Экспериментальная аэродинамика, 2 изд., М., 1958). Таким образом, около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений. На нижней образующей профиля имеется избыточное давление, на верхней - разряжение. Величина разряжения на верхней поверхности в несколько раз превышает подпор на нижней. Векторная сумма всех этих составляющих создает силу R, с которой поток действует на крыло. Кроме того, в аэродинамике при рассматривании сил рассматривают и другие факторы, влияющие на характер распределения давления по профилю крыла. Гидродинамические коэффициенты крыла определяют экспериментально, которые потом приводятся в виде диаграмм зависимостей коэффициентов Су (подъемной силы крыла), и Сх (лобовое сопротивление крыла) от угла атаки. Эта зависимость является полярой профиля крыла, которая позволяет оценить аэродинамические качества профиля крыла и другие параметры. Коэффициенты Су, Сх являются основными характеристиками крыла, не зависящими от среды, в которой движется крыло (воздух или вода). Поляра профиля крыла - основной график, характеризующий свойства крыла. Поляра - это один из самых наглядных способов оценки свойств профиля для конкретных применений. Форму профиля крыла можно определить по поляре, по этой кривой легко оценить и изменение лобового сопротивления при изменении угла атаки и их соотношение, что позволяет выбирать углы атаки крыла для получения оптимальных скоростей завихрения потока при минимальной потере напора.
На основе этих зависимостей, коэффициентов и поляры на экспериментальной установке определены оптимальные углы атаки для скорости потока от 0,7 до 1,5 м/сек, а на основе программы Profili с большой базой данных по геометрии известных профилей была выбрана наиболее эффективная форма крыла для создания зон вращательного движения воды внутри потока - прямоугольная в плане с несимметричным плосковыпуклым профилем. На основе выбранной формы крыла разработан ряд моделей устройств для флокулирования с фиксированными углами атаки к направлению движения потока воды для разных скоростей потока, обеспечивающих наилучшие гидродинамические условия хлопьеобразования и увеличение массы хлопьев с минимальной величиной потери напора.
Для решения технической задачи - повышение скорости хлопьеобразования и увеличение массы образуемых хлопьев, использован принцип работы устройства на создании зон вращательного движения воды в корпусе, которые возникают при схождении струй с задней кромки от выпуклой и плоской поверхностей элементов, выполненных по типу крыла с несимметричным плосковыпуклым профилем и размещенных под определенным углом к направлению движения потока воды.
Быстрое хлопьеобразование и увеличение массы хлопьев идет за счет того, что вставки в форме профиля крыла обеспечивают вращательное движение воды и дают возможность увеличить скорость движения самого потока за счет снижения сопротивления движущегося потока воды. Угол наклона плоской поверхности профиля крыла к корпусу также способствует увеличению скорости завихрения потока, а с другой стороны уменьшению «возмущения» потока на входе, что создает благоприятные гидродинамические условия, обеспечивающие вращательное движение воды для быстрого хлопьеобразования и увеличения массы хлопьев. Вращательное движение воды возникает при схождении струй воды от выпуклой и плоской поверхности крыла.
При этом и оптимальный угол наклона крыла также способствует увеличению скорости хлопьеобразования. Проведенные на экспериментальной установке испытания для различных интервалов скоростей (от 0,7 до 1,5 м/сек) потока воды, которые, как правило, используют в процессах водоподготовки, показали, что оптимальный угол наклона плоской поверхности профиля крыла к корпусу составляет 5-21° (приведен на рис.1, Вид А), и определяется скоростью поступающей воды.
Форма предкрылка также определяется задачами изобретения.
Предкрылки являются отклоняющими поверхностями на носке крыла и служат для увеличения кривизны выпуклой поверхности профиля крыла, поэтому для поставленной задачи выбраны нещелевыми, фиксированными. Наличие нещелевого фиксированного предкрылка приводит к увеличению кривизны выпуклой поверхности профиля, уменьшению угла атаки за счет скоса потока к плоской поверхности крыла при минимальной потери напора, что позволяет повысить скорость в зонах вращательного движения воды при низких значениях скорости потока, поступающего в корпус устройства.
Направляющие, расположенные под углом к корпусу, образуют дополнительные сопла, что позволяет создать ламинарное движение и увеличить скорость потока, не разбивая образовавшиеся перед устройством хлопья.
Направляющие в виде угловых вставок успокаивают поток и препятствуют дроблению массы образовавшихся в устройстве хлопьев.
На рис.1 и 2 показаны схемы вариантов устройства. Устройство содержит корпус 1, размещенные в нем вставки в виде профиля крыла 2, предкрылки крыла 3 (рис.2), направляющие 4, направляющие угловые вставки 5.
Устройство работает следующим образом.
В поток воды перед устройством подают дозированное количество флокулянта, обработанная реагентами вода поступает в корпус 1 устройства, где попадает между крыльями 2 и корпусом, при этом скорость потока возрастает и за счет формы крыла, и его расположения под углом. В зависимости от скорости поступающей в устройство воды принимается угол наклона профиля крыла к корпусу. При схождении струй потока воды с выпуклой и плоской поверхности крыла возникает вращательное движение воды и флокулянта, при этом поверхность флокул активируется, и вращательное движение ведет к увеличению скорости коагуляции и росту хлопьев. Возрастание скорости образования хлопьев способствует быстрому увеличению их массы. На выходе из устройства установлены направляющие угловые вставки 5, которые успокаивают поток и не дают разбиваться массе образовавшихся хлопьев.
По второму варианту поток попадает в предкрылки 3, являющиеся отклоняющими поверхностями на носке крыла. Наличие нещелевого фиксированного предкрылка приводит к увеличению кривизны выпуклой поверхности профиля, уменьшению угла атаки за счет скоса потока к плоской поверхности крыла и направляющим. Затем поток распределяется между крыльями 2, направляющими 4 и корпусом 1, образующими сопла, что позволяет добиться оптимальной скорости движения воды в устройстве при низких значениях скорости потока, поступающего в его корпус.
Устройство обеспечивает наилучшие гидродинамические условия увеличения скорости хлопьеобразования с минимальной потерей напора.