УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАСТОЙНЫХ ВОД АКВАТОРИЙ БУХТ И ЗАЛИВОВ
DEVICE FOR CLEANING OF STAGNANT WATERS OF WATER AREAS OF BAYS AND GULFS

Изобретение относится к гидротехники и в частности к устройствам для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов водой прибрежных течений, проходящих мимо них транзитом. Может быть использовано для очистки заливов рек путем направления течений в их застойные воды и усиления циркуляции воды в них.
Известна карта (фиг.1) морских течений Черного моря (htth://blacksea-map/ru/map_black_sea_current_map576665_0_0.htm). На ней видны течения, опоясывающие все Черное море, в том числе показаны течения вблизи берегов со скоростями до 40 см/с, проходящие вблизи Геленджикской бухты (фиг.2), но не заходящие в нее, так же как в Цемесскую и в другие бухты курортных городов Черного моря (Геленджик и его окрестности. Краснодар, 1964: Колесникова А.А., Казицин В.В., Щеглов Д.Е., Геленджик. Справочник-путеводитель, 2 изд. Краснодар, 1969). Поэтому циркуляция воды, например, в Геленджикской бухте замедлена - скорость течений в ней недостаточна - 1 см/с, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии этой бухты, имеются накопления загрязнений в виде мусора, наносов и плавающих включений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для очистки вод акваторий бухт (патент №2479690 кл. МПК B02B 15/00, опубл. 20.04.2013, бюл. №11), включающее блок из одного и более изогнутых винтовых трубопроводов, соединенных между собой боковыми сторонами и смонтированных в одном блоке, который закреплен на пути потока прибрежных течений для изменения направления части потоков воды, увеличения их скорости и введения этих потоков в акваторию бухт, при этом каждый винтовой трубопровод выполнен изогнутым под углом от 45° до 170° с многозаходной винтовой поверхностью, снабженной винтовыми канавками внутри и снаружи винтового трубопровода под углом к его оси в виде карманов многоугольной формы в форме различных геометрических фигур с четырьмя и более боковыми сторонами, причем расстояние между прямыми линиями сгиба равно длине каждого элемента многоугольника, при этом карманы по внутренней и наружной поверхностям могут отличаться как по форме, так и размерам по периметру винтового трубопровода, смонтирован из секций, каждая из которых выполнена в виде кругового сектора, изготовленного из полосы, свернутой в кольцо, с многогранной поверхностью и образованием разных по размерам четырехугольников с двумя параллельными сторонами, расположенными параллельно друг другу, при этом секции соединены друг с другом свободными сторонами упомянутых четырехугольников в виде пустотелого винтового трубопровода.
Недостатком известного устройства являются ограниченные технические возможности и сложность изготовления.
Техническим решением является очистка застойных и загрязненных вод акваторий бухт и заливов путем создания внутри них постоянной циркуляции чистой морской воды с помощью предлагаемого изобретения за счет поворота и направления прибрежных течений в их акватории, увеличения скорости искусственно созданных течений с последующим выводом в открытое море этими течениями загрязнений бухт и заливов, расширение технологических возможностей, упрощение конструкции.
Техническое решение достигается тем, что в устройстве для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов, включающем блок из одного и более изогнутых трубопроводов, соединенных между собой боковыми сторонами и смонтированных в одном блоке, который закреплен на пути потока прибрежных течений для изменения направления части потоков воды, увеличения их скорости и введения этих потоков в акваторию бухт, заливов, каждый трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения, по наружной и внутренней поверхностям которого образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности и который изготовлен из секций, каждая их которых смонтирована из полосы, согнутой в одну сторону по прямым линиям, размещенным под углом к кромкам полосы, с попеременным образованием по длине полосы разных по размерам равносторонних и равнобедренных треугольников, при этом с двух сторон самого большого равностороннего треугольника расположены своими основаниями два одинаковых равнобедренных треугольника, с боковых сторон которых расположены два одинаковых равносторонних треугольника с расположенными к ним своими основаниями двумя одинаковыми равнобедренными треугольниками, на одном из которых расположен равносторонний треугольник, причем стороны меньших равносторонних треугольников отличаются от сторон больших равносторонних треугольников на одну и ту же линейную величину, а секции соединены друг с другом свободными сторонами упомянутых треугольников.
По данным патентно-технической литературы не обнаружено техническое решение, аналогичное заявляемому, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемого устройства для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов.
Новизна обусловлена тем, что трубопровод выполнен с образованием по его наружному и внутреннему периметрам многозаходных винтовых поверхностей и многозаходных винтовых линий, что обеспечивает не только изменение направления течения воды, направление их потоков в акватории бухт и заливов, увеличивает циркуляцию воды, обеспечивая их очистку, но и расширяет технические возможности и упрощает изготовление.
Новизна предложения заключается в том, что по внутренней поверхности каждого трубопровода образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности, что увеличивает интенсивность движения и транспортировки масс воды, расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена тем, что каждый трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения, по наружной и внутренней поверхностям которого образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности, что обеспечивает не только интенсификацию движения масс воды и их транспортировку в акваторию заливов и бухт, но и расширение технологических возможностей.
Новизна обусловлена тем, что элементы, из которых собран трубопровод, по периметру разные по площади, форме и размерам, поэтому расширяются технологические возможности.
Новизна обусловлена также тем, что шаг ломаные винтовых линий переменный, т.е. изменяется по всему периметру трубопровода, что нарушает стационарность движения масс воды и расширяет технологические возможности.
Новизна предложения заключается также в том, что по всему периметру каждого трубопровода проходное сечение изменяется не только по форме, но и по площади, что обеспечивает попеременное сжатие и расширение потоков воды в каждом сечении трубопровода, а значит и расширение технологических возможностей.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что элементы, из которых собран каждый трубопровод, разнонаклонены не только друг к другу, но и к оси симметрии трубопровода, поэтому степень сжатия масс воды возрастает, расширяются технологические возможности.
Новизна усматривается также в том, что каждый трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения, по наружной и внутренней поверхностям которого образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности, и изготовлен из секций, каждая их которых смонтирована из полосы, согнутой в одну сторону по прямым линиям, размещенным под углом к кромкам полосы, с попеременным образованием по длине полосы разных по размерам равносторонних и равнобедренных треугольников, что упрощает изготовление и расширяет технологические возможности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 изображена карта течений Черного моря бухты; на фиг.2 - карта бухты, например карта побережья Геленджикской бухты; на фиг.3 - устройство для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов в виде блока из шести трубопроводов, смонтированных в три ряда, общий вид; на фиг.4 - вид A на фиг.3; на фиг.5 - один из трубопроводов, в виде сектора кругового трубчатого сечения, вид сверху; на фиг.6 - разрез А-А на фиг.5; на фиг.7 - полоса с размеченными прямыми линиями; на фиг.8 - секция сектора кругового трубчатого сечения, аксонометрическая проекция; на фиг.9 - схема сборки секций сектора кругового трубчатого сечения, аксонометрическая проекция; на фиг.10 - сечение Б-Б на фиг.5; на фиг.11 - устройство для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов в виде блока из четырех трубопроводов в виде секторов кругового трубчатого сечения, смонтированных в один ряд, общий вид; на фиг.12 - карта бухты с смонтированным на пути потока прибрежных течений предлагаемого устройства для очистки вод акваторий бухт и заливов блоком из трубопроводов в виде сектора кругового трубчатого сечения, смонтированных в один ряд.
Из карты течений, например, Черного моря (фиг.1) видно, что вдоль берегов моря существуют поверхностные течения, движущиеся вдоль берегов с сравнительно большой скоростью, достаточной для очистки прибрежных вод от мусора и различных загрязнений. Однако если побережье моря имеет углубленную бухты, например, как Геленджикская бухта (фиг.2), то поверхностные течения, в том числе и глубинные вдоль побережья, транзитом проходят мимо бухт и лишь незначительная часть таких течений проникает внутрь таких бухт побережья морей. Кроме того, в отдельных прибрежных участках моря в населенных пунктах, например, как в Анапе, были построены дамбы, которые перекрыли доступ в них течений моря, и в результате в прибрежных водах таких городов созданы зоны застоя вод акватрий бухт, что ухудшает экологическую обстановку в таких искуственно созданных бухтах, а также естественных, как на фиг.2.
Предлагаемое устройство для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов (фиг.3, фиг.4) выполнено в виде блока 1 из одного и более изогнутых трубопроводов 2, выполненных в виде сектора кругового трубчатого сечения, соединенных между собой боковыми сторонами известными способами, например смонтированных в одном блоке 1, залитом по периметру бетоном в виде пирамиды по всей длине трубопроводов 2.
Трубопровод 2 (фиг.5, фиг.6) выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения, по наружной и внутренней поверхностям которого образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности и который изготовлен из секций 3, одна из которых выделена на фиг.5 тройными линиями 34-35-26-16-25-34. На наружной и внутренней поверхностях трубопровода 2 образованы четыре ломаные винтовые линии, например, как показанные на фиг.5 утолщенной линией: ломаная винтовая линия 4-5-6-7-8-9-10-11-12, ломаная винтовая линия 13-14-15-16-17-18-19-20-21, 22-23-24-25-26-27-28-29-30, 31-32-33-34-35-36-37-38-39 (на фиг.5 невидимые участки винтовых линий показаны двумя параллельными линиями: сплошной и штриховой, а невидимые точки ломаной винтовой линии взяты в круглые скоби).
Секция 3 изготовлена из полосы М (фиг.7, фиг.8), согнутой в одну сторону по прямым линиям А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, размещенным под углом к кромкам полосы М с образованием попеременно разных по размерам равносторонних 40, 41, 42, 43 и равнобедренных 44, 45, 46, 47 треугольников. При этом с двух сторон самого большого равностороннего треугольника 41 своими основаниями (показаны на фиг.8 двойными линиями) размещены два одинаковых равнобедренных треугольника 45 и 46. Основания треугольников 45 и 46 больше боковых сторон на одинаковую величину, например (Δ). К боковой стороне треугольников 45 и 46 размещены равносторонние треугольники 40 и 42, стороны которых меньше равностороннего треугольника 41 соответственно также на величину (Δ). К сторонам треугольников 40 и 42 размещены своими основаниями равнобедренные треугольники 44 и 47. Основания (показаны на фиг.8 тройными линиями) равнобедренных треугольников 44 и 47 больше их боковых сторон тоже на величину (Δ). К треугольнику 47 прикреплен соответственно равносторонний треугольник 43, стороны которого меньше треугольников 40 и 42 на величину (Δ) и соответственно меньше треугольника 41 на величину (2Δ). После сгиба полосы М по линиям А, Б, В, Г, Д, Е, Ж в одну сторону концы полосы М по линии соединяют (показаны на фиг.8 тройной линией), например, сваркой с образованием секции 3 (фиг.8). Секции 3 соединяют друг с другом свободными сторонами треугольников 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, например, сваркой (фиг.9) с образованием трубопровода 2 в виде сектора кругового трубчатого сечения (фиг.5, фиг.6).
В результате по внутренней и наружной поверхностям трубопровода 2 в виде сектора кругового трубчатого сечения между ломаными винтовыми линиями образованы винтовые поверхности из различных по форме, площади и размерам треугольников, а сам трубопровод 2 имеет проходное сечение, которое меняется по форме, размерам сторон и площади сечения (фиг.6, фиг.10).
Таким образом, трубопровод 2 (фиг.5, фиг.6) выполнен по периметру в виде многозаходной винтовой поверхности с винтовыми линиями по периметру трубопровода 2 и винтовыми канавками 48, 49, 50, 51 (на фиг.6 показаны двойными дужками) внутри трубопровода 2.
Трубопровод 2 (фиг.5, фиг.36) с винтовой поверхностью по его внутреннему и наружному периметрам с образованием по его наружной и внутренней поверхностям многозаходных винтовых поверхностей и однонаправленных многозаходных винтовых линий, а также винтовыми канавками может быть изготовлен и иным способом.
Один или более изогнутых трубопроводов 2 соединяют между собой боковыми сторонами известными способами в один блок. На фиг.3, фиг.4 показан блок 1 из шести соединенных между собой трубопроводов 2 в три ряда, залитых бетоном. Конструкция блока 1, залитого бетоном, показана на фиг.3 и фиг.4.
На фиг.11 показан блок 1 из четырех трубопроводов 2, смонтированных в один ряд и соединенных между собой боковыми сторонами известными способами и залитых бетоном, т.е. выполненных в виде широкой плиты. Такие блоки можно устанавливать в бухты, где достаточно большая ширина входа в бухту. Они будут занимать не более 1.5% входа в бухту и не препятствуют судоходству. Расчеты показывают, что для очистки воды вдоль берегов Геленджикской бухты достаточно на пути движения потоков течений смонтировать блок 1 из восьми трубопроводов 2 в один ряд. Примерная схема расчета прилагается.
На фиг.12 представлена карта бухты со смонтированным на пути прибрежных течений предлагаемым устройством для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов с указанием направления движения потоков воды прибрежных течений моря внутрь бухты. Такие блоки можно устанавливать в бухты, где достаточно большая ширина входа в бухту, например в Геленджикской бухте ширина входа 1800 м.
Технико-экономические преимущества возникают за счет поворота и направления потоков прибрежных течений в акваторию бухт и заливов с помощью предлагаемого устройства, включающего блок из одного и более трубопроводов, выполненных в виде сектора кругового трубчатого сечения, соединенных между собой боковыми сторонами известными способами, который закреплен на пути потока прибрежных течений и изменяет направление части потоков воды прибрежных течений, направляет их в акваторию бухт и заливов со скоростью, равной скорости прибрежных течений, что усиливает циркуляцию воды, положительно сказывается на экологическом состоянии бухт и заливов, выводит накопленные загрязнения, мусор, наносы и плавающие включения в открытое море, расширяет технологические возможности и упрощает изготовление.
Приложение
Методика расчета приспособления для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов
Предлагается методика для расчета основных параметров при проектировании и изготовлении устройства для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов.
3
1. Длина побережья бухты равна 12000 м. При средней глубине 2 м и ширине полосы воды вдоль берега бухты 30 м объем воды вдоль всего побережья Геленджикской бухты W≈L×B×H=12000×30×2≈720000 м.
Ширина входа в Геленджикскую бухту 1800 м.
(Лотышев И.П. География Кубани. Энциклопедический словарь. Майкоп, 2008).
Для создания благоприятной экологически чистой среды в акватории Геленджикской бухты необходимо обеспечить замену этого объема воды в течение заданного времени T, например T≈240 часа.
Скорость прибрежнего течения в районе Геленджикской бухты V=40 см/с=2400 см/мин=2,4 м/мин (Геленджик и его окрестности. Краснодар, 1964: Колесникова А.А., Казицин В.В., Щеглов Д.Е., Геленджик. Справочник-путеводитель, 2 изд. Краснодар, 1969).
Таким образом, расход воды через трубопроводы устройства равен
<mrow><mi>Q</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>W</mi><mi>T</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>720000</mn><mo>/</mo><mn>14400</mn><mo>≈</mo><mn>50</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow>
При скорости течения V≈2,4 м/мин площадь проходного сечения предлагаемого устройства для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов равна
<mrow><mi>S</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>Q</mi><mi>V</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>50</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mo>≈</mo><mn>20.83</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
.
Поэтому для мелководной бухты, такой как Геленджикская, блок приспособления для очистки вод акваторий бухт и заливов монтируется из восьми трубопроводов, соединенных друг с другом своими боковыми сторонами в один ряд.
1
2
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>3.3</mn></mrow></msqrt><mo>≈</mo><mn>1.82</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi></mrow>
Площадь проходного сечения одного трубопровода будет составлять S=2.6 м, а значит диаметр одного трубопровода
. Тогда ориентировочно поперечное сечение блока (показано на фиг. 11, при условии монтажа в плите восьми трубопроводов) по ширине будет составлять 18 м, по толщина 2 м.