ПЕСОЧНОЕ ФИЛЬТРОВАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
SAND FILTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к песочному фильтровальному устройству, используемому на установках очистки воды или WTP-установках, а конкретно на установках первичной, вторичной очистки воды и очистки охлаждающей воды.
Уровень техники
Известны различные песочные фильтровальные устройства, используемые в системах очистки воды.
Однако такие устройства демонстрируют различные недостатки, такие как:
- образование поверхностных корок с частыми явлениями засорения фильтра и последующими частыми операциями обратной промывки;
- они не позволяют достигать высоких скоростей фильтрования, и, следовательно, системы требуют большого количества фильтров;
- они требуют слоя антрацита над слоем песка для того, чтобы задерживать масла и смазки, содержащиеся в загрязненной воде;
- они подразумевают высокие капитальные затраты и эксплуатационные расходы.
Таким образом, ощущается потребность в создании системы песочного фильтровального устройства, которая позволяет преодолеть вышеупомянутые недостатки.
Раскрытие изобретения
Основная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать песочное фильтровальное устройство для установок первичной, вторичной очистки воды и очистки охлаждающей воды, содержащее однослойную фильтрующую среду или просто фильтр, которое позволяет получать совершенно чистую воду и большой эксплуатационный срок службы при высоких скоростях фильтрования.
Другая задача устройства по изобретению заключается в том, чтобы получить весьма эффективную операцию обратной промывки фильтра, способную своевременно обеспечивать пропускную способность фильтра.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает решить вышеупомянутые задачи путем создания песочного фильтровального устройства очистки воды, которое в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения содержит по существу цилиндрический резервуар, определяющий продольную ось, снабженный пластиной, расположенной внутри него таким образом, чтобы разделять сам этот резервуар на верхнюю зону и нижнюю зону, в котором верхняя зона содержит фильтрующую среду, содержащую единственный слой песка, имеющий высоту Н, определенную по формуле:
b-v
H=a·e,
где параметр "а" имеет значение от 500 до 800, параметр "b" имеет значение от 0,020 до 0, 045 и скорость "v" фильтрования имеет значение в диапазоне 40-70 м/час.
Другой аспект изобретения относится к способу обратной промывки вышеупомянутого фильтровального устройства, который в соответствии с пунктом 10 формулы изобретения содержит нижеследующие этапы, на которых:
- сливают фильтруемую воду, содержащуюся в верхней зоне резервуара, до тех пор, пока уровень воды не установится около верхней поверхности фильтрующей среды;
- вводят обратный поток воздуха для того, чтобы разрушить верхушку и образовать воздушные пузырьки в фильтрующей среде, в течение промежутка времени, составляющего приблизительно 1 минуту;
- вводят обратный поток воздуха - воды для того, чтобы удалить выделившуюся грязь, в течение промежутка времени, требующегося для того, чтобы сменить воду, содержащуюся в объеме песка, по меньшей мере, 10 раз,
- вводят обратный поток одной лишь воды в течение промежутка времени, составляющего от 2 до 5 минут, для того чтобы произвести осаждение фильтрующей среды однородным, равномерным образом;
- осуществляют окончательную промывку в параллельном потоке, для того чтобы подготовить фильтрующую среду к операции фильтрования и устранить грязь, не удаленную на этапе обратной промывки.
Полезно, что упомянутое соотношение между высотой фильтрующего слоя, размером зерна используемого песка и скоростью фильтрования позволяет задавать размеры фильтрующей среды таким образом, чтобы гарантировать оптимальные условия фильтрования при высоких скоростях.
Предмет настоящего изобретения, представляющий собой фильтровальное устройство, будучи пригодным для эффективной работы при скоростях фильтрования, которые могут также достигать 70 м/час, позволяет получать следующие преимущества:
- он позволяет предложить фильтровальные системы, которые используют приблизительно половину традиционных фильтров;
- он позволяет создавать более компактные и более рациональные компоновки с существенным снижением капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Полезно, что в устройстве по изобретению используется большая высота единственного слоя фильтрующей среды, что увеличивает путь фильтрования, и относительно крупный размер зерна песка, что позволяет использовать больший объем фильтрования и распределять грязь, содержащуюся в очищаемой воде, по упомянутому объему во избежание образования поверхностных корок и, следовательно, частых засорений фильтра.
Благодаря такому признаку устройство по изобретению не требует слоя антрацита над слоем песка, как это имеет место в известных фильтрах для того, чтобы задерживать масла и смазки, содержащиеся в загрязненной воде, со значительной экономией капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Зависимые пункты формулы изобретения описывают предпочтительные варианты реализации изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут более понятны из подробного описания предпочтительного, но не исключительного, варианта реализации фильтровального устройства, проиллюстрированного в качестве неограничивающего примера при помощи прилагаемых чертежей.
На фиг.1 показан схематический вид в разрезе фильтровального устройства согласно изобретению;
на фиг.2а и 2b показаны виды в разрезе по взаимно перпендикулярным плоскостям компонента устройства, показанного на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сверху части второго компонента устройства по изобретению;
на фиг.4 показан вид сбоку варианта третьего компонента устройства по изобретению;
на фиг.5 показано увеличенное изображение элемента, показанного на фиг.1.
Осуществление изобретения
На чертежах показано фильтровальное устройство, обозначенное в целом ссылочной позицией 1, содержащееся в по существу цилиндрической стальной цистерне или резервуаре (2), снабженном вертикальными стенками (3), днищем (4) и крышкой (5). Цистерна (2) разделена внутри на две зоны пластиной (7). Верхняя зона снабжена фильтрующей средой (6), содержащей единственный слой выбранного соответствующим образом песка. Обычно фильтрующая среда (6) покоится на тонком слое довольно крупного гравия (30), не оказывающего фильтрующего действия, в свою очередь покоящегося на пластине (7).
Очищаемая вода подается к фильтрующей среде (6) через центральную трубу (8), расположенную вдоль продольной оси цистерны (2). Такая труба (8) снабжена секцией (10) впуска фильтруемой воды около днища (4) цистерны и секцией выпуска упомянутой воды около крышки (5).
Тот факт, что предусматривается единственный слой фильтрующего песка, позволяет более однородное использование фильтрующей среды. Размер зерна песка, относительно крупный и однородный, позволяет достигать высоких скоростей фильтрования, эксплуатировать фильтрующий слой на всю глубину и, таким образом, распределять грязь по всему слою, избегая образования поверхностных корок и, таким образом, явления раннего засорения фильтра.
Дополнительное преимущество представлено тем фактом, что фильтрующая среда (6) имеет такую заданную высоту, чтобы определять больший объем фильтрования и путь фильтрования, более длинный по отношению к этому пути в традиционных фильтрах; это также позволяет продлить время использования фильтра до того, как нужно выполнять обратную промывку, поскольку фильтр не засоряется.
Для правильного определения размеров фильтрующей среды или единственного слоя фильтра (6) с учетом используемого размера зерна, было определено нижеследующее предпочтительное математическое соотношение, которое дает оптимальную высоту слоя:
OPTIMAL
b-v
Н=а·e,
где "a" и "b" представляют собой параметры, которые зависят от размера зерна песка, а "v" представляет собой скорость фильтрования. Такое уравнение показывает логарифмическую зависимость высоты слоя от скорости фильтрования. Параметр "а" имеет значение от 500 до 800, а параметр "b" имеет значение от 0,020 до 0,045.
Выявлен наилучший по своим рабочим характеристикам размер зерна, находящийся в диапазоне 1,0-2,0 мм, которому соответствует значение "а", равное приблизительно 580, и значение "b", равное приблизительно 0,029, который позволяет получить скорость фильтрования, составляющую, по меньшей мере, 50 м/час, при высоте фильтрующей среды (6), равной приблизительно 2,5 метра. В таких условиях, начав с концентрации частиц, взвешенных в подаваемом отстое, равной 80 частей на миллион, можно, таким образом, получить максимальную концентрацию на выходе, составляющую лишь 10 частей на миллион.
Было обнаружено, что меньший размер зерна, равный 0,7-1,0 мм, требует более тонкий фильтрующий слой, но является слишком мелким для того, чтобы позволить грязи осаждаться по всей фильтрующей среде, предпочтительное условие для обеспечения продолжительных сроков эксплуатации перед тем, как необходимо выполнять обратную промывку.
Кроме того, было обнаружено, что более крупные размеры зерна, превышающие 2 мм, потребовали бы вместо этого фильтрующих слоев, слишком толстых для того, чтобы быть примененными в фильтрах допустимых размеров при более высоких скоростях фильтрования, равных или выше чем 50 м/час.
Фильтрующая среда (6) поддерживается пластиной (7), по которой равномерно распределены сопла (9), относящиеся к типу, описанному, например, в патентной заявке DE 202004006883. Упомянутые сопла, в предпочтительном варианте изготовленные из полипропилена или полипропилена, армированного стекловолокном, вставлены в отверстия, выполненные в пластине (7), и прикреплены к ней посредством стопорной гайки. Головки (13) сопел погружены в малый слой крупного гравия (3), который образует основание для фильтрующей среды (6). Функция сопел (9) заключается как в том, чтобы обеспечивать слив воды во время этапа фильтрования, так и в том, чтобы распределять обратный поток воздуха и/или воды во время этапа обратной промывки.
Во время операции фильтрования каждое сопло (9) позволяет отфильтрованной воде входить через очень узкие прорези (12), полученные на поверхности его головки (13), и затем сливает ее из донной части через трубчатый стебель (14), имеющий сечение в форме круглого обода, в нижнюю зону цистерны (2). Прорези (12) сопел (9) сконструированы таким образом, чтобы минимизировать риск загрязнения головки. Нижняя зона цистерны (2), пригодная для того, чтобы собирать выводимую отфильтрованную воду из трубчатых стеблей (14), снабжена на днище (4) патрубком или трубой (8'), которые используются для того, чтобы откачивать отфильтрованную воду, но также и для того, чтобы осуществлять дренаж фильтра и вводить воду обратной промывки.
Предпочтительно, чтобы в нижней части каждого из стеблей (14) были предусмотрены две вертикальные прорези (15), (15'), точная функция которых заключается в том, чтобы пропускать воздух во время этапа обратной промывки фильтра; предпочтительно, чтобы вход воды обратной промывки в сопла происходил через отверстие на нижнем конце стебля (14).
Воздух и вода уже перемешаны внутри стебля и затем будут перемешаны более тесно при прохождении через прорези (12) головки (13). Предпочтительно, чтобы поверхность раздела "воздух - вода", также именуемая 'мениском', в нижней зоне цистерны (2) поддерживалась на высоте, содержащейся в отрезке между прорезями (15), (15') и нижним концом стебля (14), для того, чтобы всегда оставлять промежуток для ввода воздуха через, по меньшей мере, одну из упомянутых прорезей.
Предпочтительно, чтобы мениск был плоским и стабильным в течение всего этапа обратной промывки, тем самым обеспечивая отсутствие скачков скорости потока воздуха и воды к соплам и, следовательно, равномерность обратной промывки.
Введение воздуха обратной промывки производится посредством рубашки (16), внешней и соосной по отношению к центральной трубе (8) ввода воды. Воздух попадает в рубашку (16) через трубу (22). Упомянутая рубашка (16) соединена с множеством воздухораспределителей (17), расположенных в предпочтительном варианте в виде циферблата, предпочтительно в количестве шесть, под пластиной (7) так, как показано на фиг.3. Предпочтительно, чтобы сопла (9) были распределены по упомянутой пластине в круговых секторах, определенных циферблатом распределителей (17).
Предпочтительно, чтобы каждый распределитель (17) имел прямоугольное сечение и был снабжен прорезями (18) с вертикальной продольной осью, находящимися на двух боковых сторонах и расположенными ближе друг к другу на внешней, по отношению к продольной оси цистерны, части распределителя, потому что покрываемая поверхность здесь больше. Воздух равномерно распределяется под пластиной - держателем (7) сопел, образуя, таким образом, воздушный карман. Эта конфигурация распределения воздуха обратной промывки является особенно удобной, повышая эффективность самόй обратной промывки.
В отличие от этого введение воды обратной промывки производится посредством трубы, присоединенной к патрубку (8') цистерны.
Вода обратной промывки, которая во время своего прохождения через гранулы песка утянула с собой вещества, задержанные фильтрующей средой (6), затем передается для слива в центральную трубу (8), перед этим использовавшуюся для введения очищаемой воды в фильтр. С этой целью на концевой части упомянутой трубы (8) предусматривается направленная вверх раструбная воронка (11), которая имеет тот признак, что она является относительно большой и расплющенной. Особая форма воронки (11), снабженной краем (31), имеющим по существу коническую форму и расширяющимся по направлению вниз, делает возможным оптимальный перелив и способствует необходимому отделению воздуха от воды обратной промывки: такому эффекту способствует происходящее одновременно с этим снижение скорости и образование тонкой пленки в воронке, что способствует освобождению менее плотного воздуха. Воздух, который освободился от воды, выпускается через соответствующий предохранительный клапан (20), расположенный на верхней части цистерны (2).
Воронка (11) также позволяет надлежащим образом подавать воду во время введения ее для фильтрования.
Ниже описываются процесс фильтрования и следующие за ним процессы обратной промывки, периодически необходимые для очистки фильтрующей среды.
Процесс фильтрования позволяет удалить из очищаемой воды все взвешенные вещества, которые вызывают мутность самой воды, и просто позволяет прохождение очищаемой воды или просто отстоя через единственный фильтрующий слой выбранного песка. Вода проходит через фильтрующую среду (6) от верхней части вниз и фильтрования происходят вслед за постепенным замедлением твердых частиц вследствие потери кинетической энергии при их отскоках/столкновениях с частицами песка. Предпочтительно, чтобы скорость фильтрования находилась в диапазоне 40-70 м/час.
После некоторого рабочего цикла фильтра фильтрующая среда нуждается в очистке или восстановлении. Восстановление выполняется посредством операции обратной промывки, которая состоит в протекании воды и/или воздуха в направлении, противоположном направлению фильтрования, то есть от днища вверх, так чтобы выполнять обратную промывку, которая позволяет удалить грязь, накопленную в фильтрующей среде, затем сливе грязной воды в вышеупомянутую центральную трубу.
Такая операция должна быть весьма эффективной, потому что фильтрующая среда (6), имея большую толщину, предпочтительно от 2 до 4 м, и размер зерна предпочтительно от 1 до 2 мм, подразумевает, что грязь осаждается в этой фильтрующей среде очень глубоко.
Предпочтительно, чтобы операция обратной промывки предусматривала нижеследующие этапы:
- слив;
- введение одного лишь воздуха обратной промывки для того, чтобы разрушить верхушку;
- введение воздуха - воды обратной промывки для эффективной обратной промывки;
- введение одной лишь воды обратной промывки;
- окончательную промывку в параллельном потоке.
Во время операции слива вода, содержавшая в цистерне (2), сливается через патрубок (8') для того, чтобы уменьшить вес водяного столба, который давит на пластину (7). Слив выполняется для того, чтобы приблизить уровень воды к верхней поверхности фильтрующей среды, приблизительно в нескольких сантиметрах от нее. Эта операция выполняется для того, чтобы сделать возможным более быстрый и, помимо прочего, более плавный запуск последующего барботирования воздуха в фильтрующей среде.
Этап введения одного лишь воздуха обратной промывки приводит к образованию воздушных пузырей в слое песка и к последующему барботированию воздуха в фильтрующей среде, которая поднимается и расширяется. Эта операция длится приблизительно 1 минуту и позволяет эффективно отделять грязь от гранул песка.
Предпочтительно, чтобы затем следовал этап введения смеси воздуха и воды обратной промывки. Такой этап имеет место немедленно после предыдущего этапа для того, чтобы быстро удалить грязь, которая была освобождена, таким образом, препятствуя ее более глубокому проникновению в этот слой. Следовательно, сама операция обратной промывки выполняется при помощи воздуха и воды, при этом воздух служит опять же для того, чтобы отделять грязь от гранул песка, в то время как вода служит для того, чтобы уносить грязь прочь. Этот этап является самым важным и, что показательно, длится в течение промежутка времени, необходимого для того, чтобы сменить воду, содержащуюся в расширенном объеме песка, по меньшей мере, 10 раз. Турбулентность, порождаемая воздушно-водяной смесью в пределах гранулированного материала позволяет осуществлять весьма эффективную промывку.
Последующий этап предусматривает введение одной лишь воды обратной промывки. Такой этап длится в течение 2-5 минут и позволяет фильтровальной среде осесть однородным и равномерным образом, не оставляя свободных пространств, которые могли бы уменьшить эффективность фильтрования.
Операция обратной промывки заканчивается этапом промывки в параллельном потоке, который служит для того, чтобы подготовить фильтр к операции фильтрования, дополнительно уплотняя осадившийся слой и позволяя удалить грязь, не удаленную во время этапа обратной промывки, обеспечивая, таким образом, получение совершенно чистой воды сразу после повторного запуска фильтра. Такой этап промывки длится в течение приблизительно 5 минут.
Предпочтительно, чтобы во время обратной промывки параметры скорости воздуха и воды составляли соответственно от 60 до 110 м/час и от 11 до 14 м/час.