УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА РАЗЛИТЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ
COLLECTION DEVICE OF SPILLED OIL PRODUCTS

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для сбора с поверхности жидких загрязнений, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например при ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, в том числе и с акваторий естественных и искусственных водоемов.
Известны устройства для удаления нефти с помощью вращающегося конусообразного тела, опущенного вершиной в воду [1, 2]. При вращении конуса жидкие загрязнения, находящиеся на поверхности водоема, поднимаются по поверхности конуса от вершины к его основанию за счет суммарного действия центробежных сил и сил адгезии. Однако эффективность работы таких устройств недостаточна, поскольку адгезионное сцепление для различных пар соприкасающихся материалов различно. Поэтому различные материалы будут убираться с поверхности воды с различной эффективностью.
Для повышения эффективности забора нефти (загрязнения) в устройствах для сбора нефтепродуктов часто применяют завихрители для создания в жидкости воронки, в которой собирается нефть и откуда ее легче забрать [3, 4]. Типичным примером является устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды по а.с. СССР №1516578 [5]. Устройство по /5/ состоит из поплавков, на которых установлена коническая воронка, в полости которой скапливается вода с нефтью и которая фактически является вихревой камерой, поскольку в находящейся в воронке жидкости создаются с помощью завихрителя, установленного на валу двигателя, вихревые течения. Основным недостатком этого устройства является низкая эффективность сбора и отделения нефти и нефтепродуктов от воды, низкая производительность устройства.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является устройство для сбора нефтепродуктов по патенту РФ на изобретение №2213180 [6]. Устройство содержит вихревую камеру с входом и выходом для собираемой нефти, привод для ее вращения, завихритель, поплавки, силовую раму, емкость для накопления собранной нефти, а также трубопровод и насос. При этом вихревая камера состоит из крышки, представляющей собой тело вращения, по оси закрепленное на валу двигателя, а дно крышки спрофилировано и сопряжено с цилиндрической юбкой крышки, при этом на радиально установленных в крышке по ее периферии пластинах, как на пилонах, закреплено днище вихревой камеры, выполненное в виде усеченной профилированной вершиной вниз воронки, причем основание воронки образует кольцевой равномерный по периметру зазор с юбкой крышки, который является выходом из вихревой камеры, а входом в вихревую камеру является отверстие в вершине воронки, при этом на воронке установлен дополнительный завихритель, выполненный в виде профилированных плоских пластин, радиально закрепленных снаружи воронки вблизи ее вершины, а внутренняя поверхность воронки вихревой камеры спрофилирована из условия минимизации газодинамических потерь в виде гиперболоида вращения.
Основным недостатком этого устройства является сложность его изготовления и эксплуатации: вихревая камера имеет сложное конструктивно-компоновочное решение и большие габаритные размеры, что приводит к значительному росту такой механической характеристики устройства, как момент инерции вихревой камеры. Большие значения угловой скорости вращения вихревой камеры, необходимые для создания достаточного разрежения в полости вихревой камеры и в зоне всасывающей воронки устройства, требуют высокоточной статической и динамической балансировки корпуса вихревой камеры, что является сложной технической задачей, поскольку при больших угловых скоростях вращения силы инерции начинают деформировать корпус вихревой камеры. Деформация корпуса происходит по причине необходимости снижения вращающейся массы устройства (для уменьшения момента инерции вихревой камеры), а это обеспечивается за счет снижения (утонения) толщины ее стенок и пилонов. Значительная масса вращающейся вихревой камеры приводит к тому же, к необходимости использования силового привода большой мощности, что ведет к росту энергозатрат. Более того, масса вихревой камеры в процессе эксплуатации устройства - прототипа дополнительно растет в процессе сбора нефти, поскольку собранная нефть перемещается вверх по воронке вихревой камеры.
Целью изобретения является упрощение эксплуатации устройства путем снижения массы вращающихся элементов и узлов устройства для сбора разлитых нефтепродуктов, что позволило бы снизить динамические нагрузки на устройство, упростить процедуру балансировки вращающихся элементов устройства и снизить энергозатраты непосредственно на работу устройства.
Указанная цель достигается тем, устройство для сбора разлитых нефтепродуктов, в частности с поверхности воды, включает вихревую камеру с входом и выходом для собираемой нефти, завихрители, поплавки с установленной на них силовой рамой, промежуточную емкость для накопления собранной нефти, трубопровод, насос, причем корпус вихревой камеры является неподвижным, а разрежение внутри вихревой камеры обеспечивается за счет лопаточного рабочего колеса, с помощью которого через отверстия, выполненные в ее крышке, производится отсос газа из вихревой камеры аналогично тому, как это имеет место быть в бытовом пылесосе. Рабочее колесо установлено на валу двигателя, закрепленного на крышке вихревой камеры. В полость вихревой камеры собираемые разлитые нефтепродукты поступают через вращающийся заборник. Заборник выполнен в виде полого цилиндра, один конец которого закреплен посредством муфты на оси двигателя, причем для возможности вращения заборника и позиционирования его по оси вихревой камеры заборник проходит через подшипниковый узел, установленный на днище вихревой камеры, а внутри заборника установлен шнек в виде винта Архимеда. При этом продольная ось заборника перпендикулярна плоскости разлитых нефтепродуктов. На выходе из подшипникового на заборнике установлено еще одно лопаточное рабочее колесо, с помощью которого производится отсос воздуха из зоны вблизи входного отверстия заборника. Причем это рабочее колесо располагается в кожухе, имеющем кольцевой зазор с корпусом заборника разлитых нефтепродуктов. В полость вихревой камеры разлитые нефтепродукты, поднимаясь по шнеку, попадают через отверстия, выполненные в стенке заборника в расположенной в вихревой камере его части. Поступившие в вихревую камеру нефтепродукты через сливные клапана поступают в накопительную емкость, откуда собранные нефтепродукты поступают в стационарные емкости большего объема.
На фиг.1 изображена принципиальная схема (разрез) устройства.
Устройство состоит из силовой рамы 1, установленной на поплавках 2. На силовой плите 3, закрепленной на раме 1 с возможностью ее перемещения по высоте рамы, установлена вихревая камера, состоящая из цилиндрического корпуса 4, крышки 5 и днища 6. Для отсоса газов из вихревой камеры в ее крышке выполнены отверстия. На крышке 5 вихревой камеры снаружи установлен двигатель 7, вал 8 которого расположен в полости вихревой камеры и образует по периметру равномерный кольцевой зазор с отверстием в крышке 5. На валу 8 двигателя 7 насажены лопаточное рабочее колесо 9 и через переходную муфту 10 заборник разлитых нефтепродуктов. Заборник состоит из трубчатого корпуса 11, внутри которого расположен шнек 12, выполненный в виде винта Архимеда. Через подшипниковый узел 13, закрепленный в днище стакана 14, герметично установленного на днище 6 вихревой камеры, трубчатый корпус 11 заборника выведен за пределы вихревой камеры. В трубчатом корпусе 11 заборника разлитых нефтепродуктов, расположенном в полости вихревой камеры, выполнены отверстия 15, предназначенные для подачи собранных нефтепродуктов из полости заборника в полость вихревой камеры. Соосно с трубчатым корпусом 11 заборника разлитой нефти ниже отверстий 15 на днище стакана 14 внутри полости вихревой камеры установлена неподвижная отражающая юбка 16. Юбка 16 имеет кольцевой зазор с трубчатым корпусом 11 заборника. Вблизи свободного конца корпуса 11 заборника разлитых нефтепродуктов, расположенного в устройстве ниже плоскости днища вихревой камеры, на него насажено жестко второе лопаточное рабочее колесо 17. Лопаточное рабочее колесо 17 находится в полости профилированного кожуха 18, установленного неподвижно на силовой раме 1. При этом днище профилированного кожуха 18 имеет кольцевой зазор с наружной поверхностью трубчатого корпуса 11, причем свободный торец трубчатого корпуса 11 заборника разлитых нефтепродуктов располагается ниже плоскости, образованной торцом кожуха 18. Слив собранных в вихревой камере разлитых нефтепродуктов производится в накопительную полость 19 через отверстия, выполненные в днище вихревой камеры. На отверстия установлены сливные клапана, обозначенные на фиг.1 позицией А, а устройство клапанов изображено на фиг.2.
Сливной клапан состоит из цилиндрической обечайки 20, установленной на днище 6 вихревой камеры и имеющей перфорации 21. На обечайку 20 с зазором установлен стакан 22, на котором закреплен поплавок 23.
Устройство работает следующим образом.
Устройство располагают на водной поверхности, загрязненной нефтепродуктами, в вертикальном положении. Перед запуском двигателя 7 выставляется путем перемещения силовой плиты 3 по раме 1 требуемая величина зазора между зеркалом нефти и плоскостью среза заборника 11 разлитых нефтепродуктов. Величина зазора выбирается исходя из физических свойств плавающих на водной поверхности нефтепродуктов (температура, вязкость и т.д.). При запуске двигателя 7 начинают вращаться рабочие колеса 9 и 17 устройства. Рабочее колесо 9, вращаясь, отсасывает воздух из рабочей полости вихревой камеры через кольцевой зазор между валом 8 и крышкой 5 вихревой камеры и неуказанные на фиг.1 отверстия в крышке 5, тем самым понижая давление в ней. Вследствие этого через радиальные отверстия 15 в трубчатом корпусе 11 происходит всасывание воздуха из внешней среды вблизи среза трубчатого корпуса 11 заборника разлитых нефтепродуктов. Рабочее колесо 17, располагаясь над поверхностью воды, при своем вращении создает кольцевой воздушный вихрь, внутри которого дополнительно понижается давление. В результате работы рабочих колес 9 и 17 происходит понижение атмосферного давления вблизи среза трубчатого корпуса 11, и пленка нефтепродуктов, разлитая на водной поверхности, выпучивается и входит в контакт с трубчатым корпусом 11, происходит всасывание нефтепродуктов в полость трубчатого заборника 11. Под действием перепада статического давления и за счет вращения шнека 12 нефтепродукты поднимаются вверх по трубчатому заборнику 11. Нефтепродукты, дошедшие до радиальных отверстий 15, под действием центробежных сил выбрасываются в полость вихревой камеры. Установленная под радиальными отверстиями 15 отражающая юбка 13 позволяет стечь нефтепродуктам в полость вихревой камеры, которая является своеобразной накопительной емкостью. Зеркало нефти, достигнув поплавков 23, при дальнейшем заполнении вихревой камеры нефтепродуктами перемещает за счет сил Архимеда вместе с поплавками стакан 22, который в результате своего перемещения открывает перфорации 21 в обечайке 20, через которые накопленные нефтепродукты поступают в емкость большего объема 19.
Ввиду того что сцепление нефтепродуктов с поверхностью шнека 11 значительно выше, чем у воды, то вместе с нефтепродуктами в накопитель 19 может попасть только незначительное количество воды. Более того, попадание воды в тракты заборника 11 возможно только в случае смачивания его водой. Однако, подбирая величину зазора между поверхностью (зеркалом) нефти и входным отверстием корпуса 11, вероятность такого смачивания можно значительно уменьшить. Используя различную адгезионную способность разных по природе жидкостей (нефть-вода) к одной и той же поверхности, можно подобрать такой материал шнека 12 и угол его подъема, что по нему будут подниматься только нефтепродукты.
Таким образом, предлагаемое нефтесборное устройство обладает в сравнении с известными техническими решениями той особенностью, что не требует погружения нефтесборника в воду и обеспечивает высококачественную сепарацию нефти от воды без дополнительных механизмов. При этом в устройстве создается два вихревых течения, в результате этого повышается эффективность всасывания нефти, что обеспечивает высокую эффективность сбора разлитой нефти, снижаются энергозатраты на создание вихревых течений. В отличие от прототипа предлагаемое устройство значительно проще при своей эксплуатации и имеет более низкие эксплуатационные энергозатраты.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №730930, кл. Е02В 15/04, опубл. 30.04.80, Бюл. №6.
2. Авторское свидетельство СССР №1133343, кл. Е02В 15/04, опубл. 07.01.85, Бюл. №1.
3. Авторское свидетельство СССР №472907, кл. Е02В 15/04, 1973.
4. Авторское свидетельство СССР №709003, кл. Е02В 15/04, В63В 35/32, опубл. 05.01.80, Бюл. №1.
5. Авторское свидетельство СССР №1516578, кл. Е02В 15/04, опубл. 23.10.89, Бюл. №39.
6. Патент на изобретение РФ №2213180, кл. 7 Е 02 В 15/10, 15/04, опубл. 27.09.2003. Бюл. №27.