ТОНКОСЛОЙНЫЙ ФЛОКУЛЯТОР
THIN-LAYERED FLOCULATOR

Заявляемый объект относится к устройствам для очистки сточных вод и может быть использован в металлургии, горнорудной промышленности, машиностроении, коммунальном хозяйстве и других отраслях.
Известен аппарат для осветления жидкости, содержащий цилиндрический корпус, цилиндрическую камеру флокуляции, коаксиально расположенную в корпусе, устройство для подвода воды в камеру флокуляции, устройство для отвода осветленной воды и тонкослойные модули. Тонкослойные модули установлены в пространстве между корпусом и камерой флокуляции и выполнены в виде наклонных пластин, которые расположены веерно от центра корпуса к периферии (патент Российской Федерации №2234357, МПК B01D 21/08, опубл. 20.08.2004).
У заявляемого объекта и аналога совпадают следующие существенные признаки. Оба устройства содержат цилиндрический корпус, цилиндрическую камеру флокуляции, коаксиально расположенную в корпусе, устройство для подвода воды в камеру флокуляции, устройство для отвода осветленной воды и тонкослойные модули.
Анализ технических свойств такого аппарата, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата препятствуют следующие причины. Веерное расположение пластин тонкослойных модулей обуславливает уменьшение расстояния между пластинами от периферии к стенке камеры флокуляции, что в свою очередь приводит к уменьшению площади отстаивания и увеличению неравномерности распределения воды по поперечному сечению зоны отстаивания.
Пояснения относительно веерного расположения пластин тонкослойных модулей в аналоге представлены на чертежах, где изображено:
- на фиг.1 - фрагмент размещения тонкослойных модулей по аналогу, вид в плане;
- на фиг.2 - вид по I-I на фиг.1;
- на фиг.3 - вид по II-II на фиг.1.
Пространство между двумя смежными пластинами, из которых образованы тонкослойные осадительные модули, по сути, представляет собой мини-отстойник с площадью отстаивания, равной площади проекции пластины на горизонтальную плоскость. Если площадь проекции f, a количество пластин n, то общая площадь отстаивания F определяется по формуле: F=f·n.
В свою очередь:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>λ</mi><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mi>o</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>B</mi><mi>o</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>λ</mi><mtext>                                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
где f - площадь проекции пластины на горизонтальную плоскость, м;
ист
2
f - истинная площадь пластины, м;
о
В - ширина пластины (фиг.1), м;
o
L - длина пластины (фиг.2), м;
λ - угол наклона пластины к горизонтальной плоскости (фиг.2).
min
в
в
min
н
Если по конструктивным или иным технологическим соображениям принять, что минимально допустимое расстояние между пластинами должно быть равно d, то расстояние d между пластинами у стенки камеры флокуляции необходимо выбрать таким же (d=d). При этом расстояние d между пластинами у наружной стенки корпуса аппарата при их веерном размещении определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>к</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>к</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
н
где d - расстояние между пластинами у наружной стенки корпуса при их веерном размещении (фиг.2), м;
н
R - радиус корпуса аппарата, м;
к
R - радиус камеры флокуляции, м;
в
d - расстояние между пластинами у стенки камеры флокуляции при их веерном размещении, м.
cp
Среднее расстояние между пластинами (d) при их веерном размещении определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>                                                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
от
min
min
в
н
min
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>к</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Отсюда видно, что среднее расстояние между пластинами при их веерном размещении больше минимально допустимого. Это означает, что на заданной площади зоны отстаивания F (для аналога
, пространство между стенкой камеры флокуляции и стенкой корпуса аппарата) можно разместить меньшее количество пластин, чем в том случае, если бы расстояние меду ними было одинаковым и равным d (d=d=d). Следовательно, площадь отстаивания будет меньшей по сравнению с таким расположением пластин, при котором расстояние между ними в любой точке было бы одинаковым и равным d.
Кроме того, при веерном расположении пластин возникает неравномерность распределения потоков воды в промежутках между пластинами (фиг.2, фиг.3).
Расход, при котором в отстойнике происходит задержание всех частиц, имеющих гидравлическую крупность u, может быть определен по формуле:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>K</mi></mrow>
,
веер
3
где Q - расход воды при веерном расположении пластин, м/ч;
пар
min
3
Q - расход воды при параллельном расположении пластин и расстоянии между ними d=d, м/ч;
К - коэффициент уменьшения расхода (К<1).
к
н
веер
пар
к
н
Расчеты показывают, что если R=0,7R, то К=0,63, а Q=0,63Q, отсюда при R/R<0,7 величина К будет еще меньшей.
Таким образом, при веерном расположении пластин расход, определяемый из условия задержания частиц заданной гидравлической крупности, будет значительно ниже в сравнении с расходом воды при параллельном расположении пластин.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранный в качестве прототипа тонкослойный отстойник, содержащий цилиндрический корпус, цилиндрическую камеру флокуляции, коаксиально расположенную в корпусе, устройство для подвода воды в камеру флокуляции, устройство для отвода осветленной воды и расположенные внутри корпуса тонкослойные модули. Каждый модуль представляет собой блок из параллельных прямоугольных пластин, расположенных друг от друга на определенном расстоянии с образованием осадительных ячеек. При этом пластины объединены таким образом, что блок имеет форму наклонного параллелепипеда, основаниями которого служат прямоугольники, две боковые грани - прямоугольники, а две грани - параллелограммы. При этом две противоположные грани (параллелограммы) расположены перпендикулярно основанию (т.е. лежат в вертикальных плоскостях), а две другие противоположные грани (прямоугольники) расположены наклонно к основанию. Оси осадительных ячеек параллельны вертикальным граням. При этом модули расположены так, что их вертикальные грани перпендикулярны горизонтальной прямой, соединяющей ось корпуса с центром вертикальной грани, а сами модули соприкасаются друг с другом нижними внутренними углами, проемы между тонкослойными модулями перекрыты горизонтальной перегородкой, расположенной на уровне нижнего основания модулей (А.с. №1101262, МПК B01D 21/00, опубл. 07.07.1984).
У заявляемого объекта и прототипа совпадают следующие существенные признаки. Оба устройства содержат цилиндрический корпус, цилиндрическую камеру флокуляции, коаксиально расположенную в корпусе, устройство для подвода воды в камеру флокуляции, устройство для отвода осветленной воды, тонкослойные модули и горизонтальную перегородку, перекрывающую проемы между модулями. Тонкослойные модули у обоих аппаратов выполнены в виде наклонных параллелепипедов с прямоугольными основаниями, двумя боковыми гранями, расположенными вертикально, и двумя боковыми гранями, расположенными наклонно, причем вертикальные грани расположены перпендикулярно горизонтальной прямой, соединяющей ось отстойника с центром вертикальной грани.
Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата препятствуют следующие причины. Заявленное в прототипе размещение тонкослойных модулей не позволяет обеспечить достаточно плотное заполнение пространства между цилиндрической стенкой корпуса и центральной цилиндрической камерой флокуляции. Это приводит к уменьшению площади, занимаемой модулями, и тем самым обуславливает недостаточно высокую эффективность очистки воды и производительность. Кроме того, при фиксированной ширине модулей, что определяется размерами готовых стандартных пластин, используемых при изготовлении модулей, последние располагаются на определенном расстоянии от центра отстойника, и это определяет размер камеры флокуляции. К недостаткам прототипа можно отнести недостаточную производительность и эффективность очистки воды, недостаточную площадь отстаивания, небольшой объем и низкий коэффициент использования объема камеры флокуляции, а также сложность обслуживания и эксплуатации прототипа в целом.
В прототипе камера флокуляции, вода из которой выходит снизу, полностью открыта в нижней части, что в свою очередь приводит к значительному сокращению времени пребывания воды в приемной камере прототипа, т.е. к сокращению продолжительности периода флокуляции.
Проемы между тонкослойными модулями (между тонкослойными модулями и стенкой корпуса, между тонкослойными модулями и стенкой камеры флокуляции) перекрыты горизонтальной перегородкой, расположенной на уровне нижнего основания модулей. Это приводит к тому, что между модулями, стенкой корпуса и стенкой камеры флокуляции образуются карманы, которые постепенно заполняются осадком, удаление которого является весьма трудоемкой операцией, связанной с обязательной остановкой и опорожнением отстойника. Между тем масса накопившегося осадка может в конечном итоге в несколько раз превысить массу тонкослойных модулей, что обуславливает необходимость неоправданного увеличения прочностных характеристик конструкций для удерживания модулей в прототипе или же приведет к обрушению модулей.
Пояснения относительно расположения в прототипе тонкослойных модулей, соприкасающихся друг с другом нижними внутренними углами, представлены на чертежах, где изображено:
- на фиг.4 - размещение модулей при их соприкосновении нижними внутренними углами по прототипу, вид в плане;
- на фиг.5 - аксонометрическое изображение фрагмента размещения тонкослойных модулей по прототипу.
В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такой тонкослойный флокулятор, в котором усовершенствования путем введения нового взаимного расположения конструктивных элементов позволят при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении производительности и эффективности очистки воды за счет увеличения площади отстаивания, увеличения объема и коэффициента использования объема камеры флокуляции, а также в упрощении обслуживания и эксплуатации тонкослойного флокулятора в целом.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом тонкослойном флокуляторе, содержащем цилиндрический корпус, цилиндрическую камеру флокуляции, устройство для подвода воды в камеру флокуляции, устройство для отвода осветленной воды, тонкослойные модули в виде наклонных параллелепипедов с прямоугольными основаниями, двумя боковыми гранями, расположенными вертикально, и двумя боковыми гранями, расположенными наклонно, причем вертикальные грани расположены перпендикулярно горизонтальной прямой, соединяющей ось корпуса с центром вертикальной грани, и горизонтальную перегородку, перекрывающую проемы между модулями, согласно заявляемому техническому решению тонкослойные модули соприкасаются серединами внутренних наклонных ребер, камера флокуляции оснащена снизу диафрагмой в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием вниз, а горизонтальная перегородка, перекрывающая проемы между модулями, расположена на уровне верхних оснований модулей.
В отдельных случаях изготовления в заявляемом флокуляторе тонкослойные модули могут быть выполнены из пластин, уложенных друг на друга, при этом пластины оснащены, по меньшей мере, двумя ребрами, каждое из которых выполнено в виде малых пластинок длиной L и шириной d, причем малые пластинки размещены перпендикулярно плоскости пластины и расположены на пластине параллельно друг другу на расстоянии b. В этом случае при укладке пластин друг на друга за счет наличия ребер пластины находятся на расстоянии d. При этом пластины уложены друг на друга таким образом, что длинные стороны ребер наклонены к горизонтальной плоскости.
При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении производительности и эффективности очистки воды за счет увеличения площади отстаивания, увеличения объема и коэффициента использования объема камеры флокуляции, а также в упрощении обслуживания и эксплуатации тонкослойного флокулятора в целом.
Размещение тонкослойных модулей в пространстве между цилиндрической стенкой корпуса и центральной цилиндрической камерой флокуляции таким образом, чтобы соприкосновение смежных модулей приходилось на середину их внутренних наклонных ребер, позволяет обеспечить наиболее оптимальное размещение модулей при более плотном заполнении данного пространства модулями, увеличить площадь, занимаемую модулями, и увеличить площадь отстаивания, что в свою очередь способствует повышению эффективности очистки воды и увеличению производительности флокулятора по изобретению.
полез
Оснащение камеры флокуляции снизу диафрагмой в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием вниз, обеспечивает увеличение полезного объема камеры флокуляции, а также повышение производительности и эффективности очистки воды, упрощение обслуживания и эксплуатации тонкослойного флокулятора в целом. При отсутствии диафрагмы поток воды, поступающий в камеру флокуляции через тангенциальные впуски, расположенные в верхней части камеры флокуляции (устройство для подвода воды в камеру флокуляции), движется преимущественно вдоль стенок в пространстве, объем которого составляет 10-15% от объема камеры флокуляции. При наличии же диафрагмы поток воды, поступающий в камеру флокуляции через тангенциальные впуски, расположенные в верхней части камеры, движется в пространстве, объем которого равен V:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msubsup><mi>d</mi><mi>д</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mi>к</mi></msub></mrow>
,
полез
3
где V - полезный объем камеры флокуляции, м;
полн
3
V - полный объем камеры флокуляции, м;
д
d - диаметр отверстия в диафрагме, м;
к
h - высота камеры флокуляции, м.
д
к
к
полез
полн
Поскольку обычно d≤D, где D - диаметр камеры флокуляции, то V≥0,7V, т.е. значительно больше, чем при отсутствии диафрагмы.
Размещение горизонтальной перегородки, перекрывающей проемы между модулями (между тонкослойными модулями и стенкой корпуса, между тонкослойными модулями и стенкой камеры флокуляции), на уровне верхних оснований модулей позволяет конструктивно просто обеспечить упрощение и облегчение процесса удаления накопившегося на перегородке осадка, осуществление которого становится возможным только при частичном опорожнении заявляемого тонкослойного флокулятора до уровня воды ниже верхних оснований тонкослойных модулей, путем, например, смывания осадка водой из шланга в каналы тонкослойных модулей.
Выполнение тонкослойных модулей из пластин, уложенных друг на друга, оснащение пластин, по меньшей мере, двумя ребрами, каждое из которых выполнено в виде малых пластинок длиной L и шириной d, размещение этих малых пластинок перпендикулярно плоскости пластины и их расположение на пластине параллельно друг другу на расстоянии b позволяют конструктивно просто обеспечить образование равновеликих по высоте и ширине каналов для тока воды в тонкослойном модуле, равномерность распределения потоков воды, а также позволяет повысить производительность и эффективность очистки воды, упростить обслуживание и эксплуатацию тонкослойного флокулятора в целом.
Сущность заявляемого объекта поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.6 - вертикальный разрез заявляемого тонкослойного флокулятора;
- на фиг.7 - размещение модулей при их соприкосновении серединами внутренних наклонных боковых ребер, вид в плане;
- на фиг.8 - аксонометрическое изображение фрагмента размещения тонкослойных модулей в корпусе;
- на фиг.9 - фрагмент размещения тонкослойных модулей у стенки корпуса, вид в плане;
- на фиг.10 - вертикальный разрез тонкослойного модуля по III-III на фиг.9.
На чертежах проставлены следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - камера флокуляции;
3 - трубопровод для подвода воды;
4 - водосборный лоток;
5 - тонкослойный модуль;
6 - скребковый механизм;
7 - патрубок для удаления осадка,
8 - перегородка,
9 - диафрагма,
10 - пластины тонкослойных модулей,
11 - каналы в тонкослойных модулях,
12 - малые пластинки (ребра) в тонкослойных модулях.
Заявляемый тонкослойный флокулятор состоит из цилиндрического корпуса 1, центральной цилиндрической камеры флокуляции 2, размещенной коаксиально в корпусе, трубопроводов для подвода воды 3 (устройство для подвода воды в камеру флокуляции), водосборного лотка 4 (устройство для отвода осветленной воды), тонкослойных модулей 5, размещенных в пространстве между корпусом 1 и камерой флокуляции 2 и установленных, например, на опорах (не показано), скребкового механизма 6 с приводным валом и центрального патрубка 7 для удаления осадка, расположенного в нижней части конического днища корпуса 1 (фиг.6).
Корпус 1 оборудован, по меньшей мере, двумя трубопроводами 3 для подвода загрязненной воды на очистку, которые размещены в верхней части корпуса 1 и входят в камеру флокуляции 2 тангенциально. Зазоры между верхними основаниями тонкослойных модулей 5, между верхними основаниями тонкослойных модулей 5 и стенкой корпуса 1 и между верхними основаниями тонкослойных модулей 5 и стенкой камеры флокуляции 2 перекрыты горизонтальной перегородкой 8, расположенной на уровне верхних оснований модулей 5 и предотвращающей выток воды мимо тонкослойных модулей 5. Камера флокуляции 2 выполнена в виде цилиндра с диафрагмой 9, установленной в его нижней части и выполненной в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием вниз.
Тонкослойные модули 5 представляют собой блоки, собранные из, например, прямоугольных пластин 10, которые расположены параллельно и уложены друг на друга. Пластины объединены таким образом, что тонкослойный модуль 5 имеет форму наклонного параллелепипеда (фиг.10) с основаниями в виде прямоугольных параллелограммов, двумя наклонными боковыми гранями, выполненными в виде прямоугольных параллелограммов и размещенными к горизонтальной плоскости оснований наклонного параллелепипеда, например, под углом γ=55÷60°, а также двумя вертикальными гранями, выполненными виде параллелограммов с углом, например, γ=55÷60° и размещенными перпендикулярно к горизонтальной плоскости оснований наклонного параллелепипеда (фиг.8, 9). Пластины 10 уложены друг на друга с уклоном, например, γ=55÷60° и создают систему наклонных каналов 11, которые образованы смежными пластинами 10 и образуют с горизонтальной плоскостью угол γ=55÷60°.
Пластины оснащены, например, двумя ребрами, каждое из которых выполнено в виде малых пластинок 12 длиной L и шириной d (фиг.10), причем малые пластинки 12 размещены перпендикулярно плоскости пластины 10 и расположены на пластине 10 параллельно друг другу на расстоянии b. В этом случае при укладке пластин друг на друга за счет наличия ребер пластины находятся на расстоянии d. При этом пластины уложены друг на друга таким образом, что длинные стороны ребер наклонены к горизонтальной плоскости.
В частности, при использовании пластин с ребрами ширина каждого канала равна b, высота - d, а длина - L (фиг.10).
Каждый канал по своей технической сущности представляет собой наклонный мини-отстойник, образованный двумя смежными параллельными наклонными пластинами 10, расположенными одна над другой, причем нижняя пластина выполняет роль дна канала, а общая площадь отстаивания определяется формулой:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>a</mi><mo>⋅</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mo>/</mo><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mrow></mfrac></mrow>
2
где F - общая площадь отстаивания, м;
n - количество тонкослойных модулей;
а - длина основания модуля (фиг.10), м;
В - ширина пластины (модуля) (фиг.9), м;
L - длина пластины (фиг.10), м;
d - расстояние между пластинами, из которых состоит модуль (фиг.10), м;
d/sinγ - расстояние между пластинами по вертикали, м,
γ - угол наклона пластин к горизонтальной плоскости, γ=55÷60°.
Тонкослойные модули 5 в пространстве между корпусом 1 и камерой флокуляции 2 (в зоне отстаивания) расположены таким образом, чтобы их вертикальные грани были перпендикулярны горизонтальной прямой, соединяющей ось корпуса 1 с центром вертикальной грани, а смежные модули соприкасались друг с другом серединами своих внутренних наклонных боковых ребер (фиг.8).
Заявляемый тонкослойный флокулятор работает следующим образом. Исходная загрязненная вода для очистки подается по двум тангенциальным трубопроводам 3 в камеру флокуляции 2, в которой за счет вращательного характера движения потока происходит перемешивание и укрупнение содержащихся в исходной воде загрязнений и осаждение крупных фракций. Затем вода через диафрагму 9 камеры флокуляции 2 движением сверху вниз поступает в нижнюю часть корпуса 1 и далее, движением снизу вверх, распространяется в пространстве между камерой флокуляции 2 и стенкой корпуса 1 (зона отстаивания). В зоне отстаивания вода потоком снизу вверх входит в каналы 11 тонкослойных модулей 5. Здесь взвешенные вещества, еще оставшиеся в воде, оседают на дно каналов 11, укрупняются и сползают по наклонной пластине 10 вниз в виде агрегатов, размеры которых таковы, что скорость их осаждения превышает скорость восходящего потока. Вследствие этого, эти агрегаты опускаются на дно корпуса 1 флокулятора, а осветленная вода из тонкослойных модулей 5 отводится через водосборный лоток 4. Осадок скребковым механизмом 6 перемещается к центру конического днища корпуса 1 и удаляется через патрубок 7. Для предотвращения прохода воды без очистки в тонкослойных модулях 5 зазоры между ними и стенкой корпуса 1 и между ними и стенкой камеры флокуляции 2 закрыты горизонтальной перегородкой 8, расположенной на уровне верхних оснований тонкослойных модулей 5.
Поскольку вся поверхность между корпусом 1 и камерой флокуляции 2 на уровне верхних оснований модулей 5 перекрыта перегородкой 8, вода из нижней зоны отстаивания, расположенной ниже тонкослойных модулей 5, в верхнюю зону отстаивания, расположенную выше тонкослойных модулей 5, может пройти только через тонкослойные модули 5, т.е. обязательно подвергается очистке.
Ввиду того, что блоки тонкослойных модулей 5 установлены так, что они соприкасаются с корпусом 1, а также серединами внутренних наклонных боковых ребер друг с другом (фиг.7, 8), площадь, занимаемая ими и, следовательно, общая площадь осаждения будет больше, чем при соприкосновении модулей нижними внутренними углами оснований (фиг.4, 5). Это повышает производительность и эффективность очистки воды в тонкослойном флокуляторе, который заявляется. Кроме того, при этом также удается увеличить объем камер флокуляции, по сравнению с прототипом, где модули соприкасаются нижними внутренними углами (фиг.4, 5). Это позволяет увеличить продолжительность процесса флокуляции и уменьшить содержание мелких частиц взвеси в воде, т.е. обеспечивает повышение эффективности очистки воды и производительности заявляемого тонкослойного флокулятора.
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
В заявляемом тонкослойном флокуляторе модули представлены в виде параллелепипедов ABCDABCD и EFGHEFGH (фиг.8, 9, индекс "1" относится к углам верхних оснований, а индекс "2" - к углам нижних оснований). ABCD и EFGH (фиг.9) - это прямоугольники, образующиеся при сечении параллелепипедов горизонтальной плоскостью, проходящей на уровне половины высоты параллелепипедов, следовательно, проходящей через точки соприкосновения внутренних наклонных ребер (общая точка DE на фиг.8, 9). Эти прямоугольники равны основаниям параллелепипедов. Если в отстойнике n модулей, расположенных у периферии, то прямоугольники ABCD, EFGH и другие образуют замкнутую цепь (на чертежах не показана), а отрезки AD, ЕН (точки D и Е совпадают, т.к. это точка соприкосновения двух смежных модулей) и другие представляют собой стороны правильного n-угольника. Наиболее оптимально принимать n=6, либо n=8, либо n=10, либо n=12. При этом ввиду того, что AD - это сторона правильного n-угольника, то угол AOD α=360/n и AP=PD=0,5AD (фиг.9).
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Примем, что на фиг.9 точки А, В, С и D - это проекции соответствующих точек параллелепипеда ABCDABCD на горизонтальную плоскость, на которой лежит основание ABCD. Введем обозначения:
R - радиус корпуса флокулятора, м;
1
1
1
1
а - длина основания модуля (длина фронтальной стороны основания параллелепипеда (AD=ВС=a, AD=BC=а, фиг.10), м;
L - длина бокового наклонного ребра (фиг.10), м;
1
1
1
1
В - ширина параллелепипеда AB=CD=AB=CD=В (фиг.8, 9), м;
γ - угол наклона пластин (а следовательно, и бокового ребра к горизонтальной плоскости, и осадительных ячеек), γ=55÷60°;
1
1
2
2
α - угол, под которым видна из центра корпуса фронтальная вертикальная грань AD параллелограмма (ADDA, фиг.8, 9), α=360/n.
1
1
1
1
Проведем из центра корпуса перпендикуляр к гране AD (фиг.9). Р и Q - точки пересечения этого перпендикуляра с гранями AD и ВС. Соединим точку О с точкой D, точку D с точкой C и точку О с точкой C. Обозначим угол POC - φ, а угол CDC - β.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
DD и CC - это проекции боковых ребер длиной L на горизонтальную плоскость. Для обеспечения надлежащего режима сползания осадка по дну канала (по пластине 10) угол наклона пластин к горизонтальной плоскости устанавливается γ=55÷60° (для расчетов примем γ=60°). Поскольку угол наклона боковых ребер к горизонтальной плоскости составляет 60°, то DD=0,5L, CC=0,5L, a CC=DD=0,25L.
Очевидно, что sinφ=(0,5а+0,25L)/R.
1
cp
н
2
Здесь и ниже все линейные размеры величин, входящих в формулы (а, L, В, R, отрезки ОР, OD, CD, параметр γ), выражены в метрах, а площади F, F - в м.
Проведем рассчет ОР:
<mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>.</mo><mtext>                                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>16</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
С другой стороны ОР можно рассчитать так:
<mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>O</mi><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>17</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
OD можно определить из треугольника ODC:
<mrow><mi>O</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>D</mi></mrow><mrow><mi>sin</mi><mo>∠</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>O</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo>∠</mo><mi>O</mi><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>D</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>18</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mo>∠</mo><mi>O</mi><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>D</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mo>−</mo><mi>ϕ</mi></mrow>
<mrow><mo>∠</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>O</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
(фиг.9).
<mrow><mi>O</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><mi>sin</mi><mi>ϕ</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>sin</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mi>cos</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>          </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>19</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>sin</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,5</mn><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>R</mi></mrow>
<mrow><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                                                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>20</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>sin</mi><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
.
После подстановки выражений для sinφ, cosφ, sinβ, cosβ в уравнение (19) с учетом равенств (16, 17, 18) получено уравнение:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>R</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>×</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>×</mo><mfrac><mrow><mfrac><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,5</mn><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>R</mi><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mo>+</mo><mn>0,25</mn><mi>L</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext>     </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>21</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
Можно ввести обозначение y=(0,5·a+0,25·L) и после упрощения получить уравнение (21) в следующем виде:
<mrow><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>0,25</mn><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mi>y</mi><mo>−</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>22</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для случая, когда модули соприкасаются нижними внутренними углами (фиг.4), аналогичным образом можно получить уравнение:
<mrow><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>0,25</mn><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mi>y</mi><mo>−</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext>                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>23</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где y=0,5·а+0,5·L.
Примеры расчетов.
1. Исходные данные: n=8, α=45°; R=5,0 м; В=1,5 м; L=1,5 м.
н
cp
cp
н
2
Результаты расчета: а=2,54 м; a=2,65 м; F/F=1,04 м,
н
где а - длина основания модуля при соприкосновении модулей внутренними углами нижних оснований (по прототипу), м;
cp
a - длина основания модуля при соприкосновении модулей серединами наклонных внутренних боковых ребер (по изобретению), м;
cp
2
F - площадь основания модуля при соприкосновении модулей серединами внутренних наклонных боковых ребер (по изобретению), м;
н
2
F - площадь основания модуля при соприкосновении модулей нижними внутренними углами оснований (по прототипу), м.
Для технического решения, которое заявляется, при соприкосновении модулей серединами наклонных внутренних боковых ребер площадь отстаивания увеличивается на 4% по сравнению с тем случаем, когда модули соприкасаются нижними внутренними углами (по прототипу), а объем камеры флокуляции увеличивается на 8%.
2. Исходные данные: n=8, α=45°; R=2,0 м; В=0,6 м; L=1,5 м.
ср
Для технического решения, которое заявляется, при соприкосновении модулей серединами наклонных внутренних боковых ребер в результате решения уравнения (23) получим: а=0,99 м, ОР=0,99/[2tg(45°/2)]=1,195 м (ОР - расстояние от оси корпуса флокулятора до внутренних граней модулей, следовательно, можно принять радиус камеры флокуляции равным 1,19 м, фиг.9).
н
Для случая соприкосновения модулей нижними углами а=0,84 м. В этом случае радиус камеры флокуляции будет составлять 1,01 м.
Площадь проекции всех наклонных пластин на горизонтальную плоскость равна:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>γ</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>24</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где n - число тонкослойных модулей.
cp
н
cp
За счет того, что a больше, чем а, площадь отстаивания F для случая соприкосновения модулей серединами внутренних наклонных боковых ребер больше, чем площадь отстаивания в случае, когда модули соприкасаются нижними внутренними углами, почти на 18%, а объем камеры флокуляции больше на 40%.