УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРАЦИИ ВОДЫ
DEVICE FOR AERATION OF WATER

Изобретение относится к очистке сточных вод и может быть использовано для аэрации воды (насыщения потока жидкости пузырьками воздуха), сбрасываемой промышленными предприятиями в окружающую среду, например в природные водоемы.
Известно устройство для аэрации воды, содержащее плавучее основание в виде водоподающего конического сопла, при этом плавучее основание закреплено на месте с помощью якоря, а воздухоподающая трубка с поплавком соединена в месте расположения узкого сечения конического сопла (DE №2447607, кл. C02B 1/00 от 04.08.1976). Данное устройство конструктивно сложно в изготовлении, неустойчиво и ненадежно в работе, так как оно целиком находится в подводном плавающем положении с закреплением основания с помощью якоря, а также не обеспечивает необходимой степени аэрации воды.
Известно применение цилиндрического насадка (короткой напорной трубы) при истечении жидкости из сосуда или водоема (А.А. Угинчус, Е.А. Чугаев. Гидравлика. Ленинград: Изд. Литературы по строительству, 1971, стр. 132).
Недостатком такого устройства является то, что не осуществляется аэрации жидкости, а это отрицательно сказывается на экологии окружающей среды.
Известно устройство для аэрации воды в рыбоводных водоемах, включающее полый вал с отверстием для пропуска воздуха, укрепленный на нижнем конце вала ротор, содержащий радиально расположенные лопасти, привод вала и поплавок для размещения устройства в водоеме, ротор снабжен водоструйными насосами, установленными на концах лопастей, при этом последние выполнены полыми и имеют обтекаемую форму, а полости водоструйных насосов и лопастей сообщены между собой и через обратный клапан с полостью вала (авторское свидетельство SU №993896, A01K 63/04, В01F 5/16 от 07.02.1983).
Недостатками известного устройства являются невозможность использования его в зимнее время, поплавки на поверхности воды создают их обмерзания; сложность и большая материалоемкость, а также необходимы большие затраты электроэнергии на вращение лопастей, создающих большие сопротивления в нижних слоях воды, а следовательно, требуется подвод электроэнергии.
Известен эжектор аэратора, содержащий воздухозаборник, форсуночную головку, расположенную коаксиально воздухозаборнику, конфузор и смеситель, в торце форсуночной головки выполнены отверстия, расположенные на концентрических окружностях, количество отверстий четное, а пары соседних отверстий на каждой окружности направлены под углом один к другому (авторское свидетельство SU №1666453, С02F 3/16 от 30.07.1991).
Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает интенсивного перемешивания, так как насыщение кислородом осуществляется в зоне расположения насадка и струи жидкости, хотя в момент истечения создают эффект подсасывания воздуха в водозаборник, который реализуется через отверстия в верхней части водозаборника, сообщающие полость водозаборника с атмосферой, скорость несколькими раздельными струями жидкости в насадке частично гасится, а затем набирают скорости по длине на выходе из форсуночной головки, и вновь происходит соударение струй между собой, при этом скорости резко уменьшаются. Таким образом, уменьшается ускорение в зоне сопряжения диффузора со смесителем последний имеет прямолинейный участок выхода, что в конечном итоге создает малый эффект разрежения, и соответственно всасывающий воздух из водозаборника в целом, а это в свою очередь приводит к уменьшению поступления атмосферного кислорода. Особенно наиболее остро стоит проблема аэрации воды в зимнее время. Отсюда в известном устройстве уменьшаются условия насыщения и смешения воздуха в толще аэрируемой жидкости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для аэрации жидкости, содержащее насадок, который снабжен запорной головкой с отверстиями и гибкими щетками, валом и крыльчаткой, а по окружности насадка выполнены отверстия (патент RU №2280619, С02F 1/74, С02F 3/16, В01F 3/04 от 27.07.2006).
Недостатком данного технического решения является снижение эффективности аэрирования, так как в цилиндрическом насадке поток воды выходит без сжатия, появляется подпор (торможение) жидкости из-за соударения о крыльчатку, размещенную в конце на выходе из насадка, что отрицательно сказывается на отсутствие вращение жидкости внутри цилиндрического насадка, а следовательно, теряется напор (давление) жидкости, и скорость уменьшается и, как правило, значительно уменьшается поступление и засасывание атмосферного воздуха с кислородом, т.е. зона разрежения недостаточно эффективна в работе устройства. Таким образом, объем и напор в насадке недостаточны для получения больших скоростей для данного устройства. При этом выход жидкости из насадка имеет свойства сразу расширяться, ударяясь о лопасти снаружи. Поэтому любое подтопление с низовой стороны действующего напора снижает эффективность подсоса воздуха, т.е. приводит к большим потерям напора и уменьшению скорости в цилиндрическом насадке.
Задачей создания и техническим результатом предлагаемого технического решения является получение устройства, обеспечивающего существенное увеличение степени аэрации воды и, как следствие, улучшение условий насыщения и смешения воздуха с аэрируемой водой.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для аэрации воды, содержащем насадок, запорную головку с отверстиями и гибкими щетками, вал, насадок снабжен коаксиально внутри винтолопастной турбиной с возможностью вращения относительно своей оси, при этом выход насадка выполнен конфузором и сообщен с диффузором через смесительную камеру и воздухоподающая трубка с вентилем нижним концом установлена на входе в корпус конфузора, конец которой направлен в сторону наиболее узкого сечения конфузора в месте соединения со смесительной камерой, причем трубка воздухоподающая с вентилем сообщена с атмосферой.
Такое выполнение устройства создает напорное вращательное движение воды в насадке. Поток воды приобретает повышенное давление, ускоряет скорость и выход воды, а это создает большее разрежение перед смесительной камерой конфузора. За счет этого происходит засос воздуха по воздухосборнику в виде трубки из атмосферы. Так как давление воды в насадке увеличивается за счет винтолопастной турбины и отсутствует резкое расширения потока воды на выходе из насадка, потери давления при подсосе воздуха минимальны, вследствие чего степень аэрации увеличивается. На выходе из устройства конфузора происходит смешивание водовоздушной смеси с обрабатываемой сточной водой. Таким образом, в зоне эжектора происходит смешение с учетом напора воды и высокого давления на участке подсоединения воздушной трубки под углом к насадку. В связи с этим путем улучшения коротких участков конфузора и диффузора, связанных между собой коротким участком камеры смешения и подключения воздухозаборника нижним концом между ними, форма вытекающей струи в этом случае получает свое дальнейшее распыление и увеличение пропускной способности.
Компактное, рациональное конструирование нового устройства имеет практическое применение для аэрации воды (насыщение потока воды пузырьками воздуха), сбрасываемой промышленными предприятиями в окружающую среду, например, в природные водоемы.
Следует обратить особое внимание на размещение и форму винтолопастной турбины внутри насадка в том, что теоретический напор пропорционален окружной составляющей и абсолютной скорости на выходе воды из турбины. При увеличении угла окружная составляющая абсолютной скорости увеличивается, а следовательно, увеличивается напор. Поэтому угол кривизны лопастей может быть принят такой, что угловая скорость вращения гибких щеток составит 3…8 об/мин при скорости воды не менее 1…3 м/с. Это будет одним из оптимальных режимов данного процесса, зависящего также от длины насадка, его диаметра, в котором размещен соизмеримо винтолопастной турбины. В свою очередь такая конструкция турбины в работе с ее кпд учитывает потери, возникающие вследствие поступления воды на входе и выходе в камеру смешения с учетом других потерь в узлах устройства.
На чертеже представлено устройство для аэрации воды, общий вид.
Устройство содержит цилиндрический насадок 1, заборную головку 2 с отверстиями и гибкими щетками 3, вертикальную ось 4 вращения, которая фиксируется винтом 5, установленным в кольцевую канавку 6, выполненную в хвостовике 7. Ось 4 расположена в направляющих 8, закрепленных к верхним концам насадка 1, который располагают с внешней стороны бассейна 9, из которого он питается. К вертикальной оси 4 закреплена турбина 10 винтолопастная с лопастями 11, установленная коаксиально в цилиндрическом насадке 1 и прикрепленная к гнезду в нижней части насадка 1 с помощью приварных радиально направленных крестовин 12 с возможностью вращения турбины 10.
Выходная часть насадка 1 подключена к конфузору 13 с цилиндрической направляющей смесительной камерой 14, которая соединена с диффузором 15.
Воздухоподающая трубка 16 с вентилем 17 нижним концом установлена на входе в корпус конфузора 13, конец которой направлен в сторону наиболее узкого сечения конфузора 13 в месте соединения со смесительной камерой 14, второй конец воздухоподающей трубки 16 соединен с атмосферой или с компрессором 18 с задвижкой 19.
Смесительная камера 14 круглого поперечного сечения расположена ниже узкого сечения конфузора 13 и соединена через выпускное отверстие 20 с отводящим диффузором 15.
мин
Оптимальный угол α кривизны лопастей турбины 10 винтолопастной способствует вращению гибких щеток 3, связанных с осью 4, при подходных скоростях не менее 1…3 м/с. Оптимальный режим данного процесса для противодействия усилий N, развиваемых в полости насадка 1 турбиной 10 под минимальным напором воды Р в отводящий конфузор 13, создает оптимальную угловую скорость вращения 3…8 об/мин. Форма выполнения лопастей 11 с оптимальным углом кривизны (количество лопастей 4…8 шт.) способствует использованию энергии воды для увеличения кпд вращательного момента.
Заборная головка 2 выполнена с отверстиями, играющими роль фильтра для предотвращения попадания посторонних частиц (взвесей) внутрь устройства, и гибкими щетками 3, позволяющими удалять посторонние частицы с внешней поверхности головки.
Устройство для аэрации воды работает следующим образом.
При движении воды внутри насадка 1 и выходе из него вода поступает в конфузор 13, далее через смесительную камеру 14 подается в диффузор 15 по оси турбины 10 винтолопастной, разделяя при этом ее лопастями на множество равных частей, поступающих в межлопастные отсеки. Под давлением поступающей сверху воды в насадок 1 турбина 10 винтолопастная, вращаясь, турбулизирует поток внутри насадка 1, и интенсивно смешивает поступивший в межлопастные отсеки сток воды, поступающий на выход из насадка 1 в конфузор 13. При выходе воды из насадка 1 турбина 10 приводит в движение ось 4, далее вращающий момент через ось 4 передается на щетки 3. Таким образом, происходит процесс непрерывного очищения головки 2.
При подаче воды турбиной 10 в конфузор 13 она сжимается в узком его сечении и с возрастающей скоростью попадает в направляющую смесительную камеру 14 с конфузором 13, создавая в нем разрежение, за счет чего происходит засос воздуха из атмосферы через воздухоподающую трубку 16, проходящую через отверстие в корпусе конфузора 13. Так как воздухоподающая трубка 16 не имеет изгибов, связана с атмосферой или с компрессором прямоточно, потери давления при подсосе воздуха минимальны, вследствие чего степень аэрации воды увеличивается. На выходе из устройства в диффузоре 15 полностью происходит смешивание водовоздушной смеси с обрабатываемой сточной водой.
Скорость вращения турбины 10 винтолопастной стабилизируется, благодаря постоянному притоку воды по высоте бассейна в автоматическом режиме. Максимальная скорость вращения имеет место, когда выполняются вышеприведенные конструктивные размеры лопастей турбины 10, диаметра насадка 1, т.е. при угле установке наклона лопастей в количестве 4…8 шт. и скорости воды не менее 1…3 м/с, что приводит к значительному общему напору воды и скорости в сторону конфузора 13, соответственно приводит к значительному увеличению объема вовлекаемого воздуха и интенсивности аэрирования воды по сравнению с прототипом, что позволяет проводить более глубокую очистку воды. Таким образом, происходит интенсивный массообмен и аэрирование воды.
В свою очередь кпд турбины учитывает потери, возникающие вследствие поступления воды на входе и выходе из нее, потери, возникаемые во всех других деталях узлов устройства.
Эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что оно обеспечивает реализацию технической схемы увеличения количества растворенного в воде кислорода примерно не менее чем вдвое, что увеличивает эффективность аэрации, что позволяет проводить более глубокую очистку воды, при этом, чтобы получить увеличение расхода, в конце устройства выгодно иметь диффузор в виде расширяющегося насадка, снижая потери напора и увеличивая площадь распространения (распыления) пузырьков воздуха в глубину очистки воды.