ФИЛЬТР-ГРЯЗЕВИК ИНЕРЦИОННО-ГРАВИТАЦИОННЫЙ С ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ ПОДВОДОМ ВОДЫ

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для эффективной безреагентной очистки различных потоков воды от загрязнений (механические примеси, взвешенные и всплывающие вещества, газообразные включения) и предотвращения накопления загрязнений и образования отложений в оборудовании и трубопроводных системах различного назначения.
Полезная модель может быть использована в системах теплоснабжения и на тепловых источниках (ТЭС, ТЭЦ, котельные, контуры АЭС, тепловые сети, ЦТП и ИТП), в водооборотных системах промышленных предприятий, на водозаборных сооружениях, водопроводных вводах к потребителям, а также на любых водоочистных сооружениях и установках в качестве предварительной ступени очистки воды. Устройство также может быть использовано для очистки пластовых вод, скважинной воды, а также любой технической воды.
К настоящему времени разработаны различные конструкций фильтров-грязевиков, использующих фильтрацию воды через различные сетки, фильтрующие элементы или материалы. К главным их недостаткам следует отнести:
- зависимость расходных характеристик и гидравлического сопротивления устройств от степени загрязнения их фильтрующих элементов или материалов. Это негативно влияет на гидравлический режим трубопроводных систем, в которых они установлены. Полное забивание фильтров-грязевиков загрязнениями (при отсутствии дублирующих устройств) ведет остановке циркуляции воды, что является аварийной ситуацией;
- необходимость регулярного обслуживания, ремонта и/или их замены, что влечет за собой значительные эксплуатационные затраты.
Указанные недостатки привели к дальнейшей разработке конструкций фильтров-грязевиков, в которых используются иной принцип работы. К таким устройствам следует отнести инерционно-гравитационные фильтры-грязевики, реализующие гидродинамический принцип очистки воды, при котором для улавливания частиц загрязнений из потока воды используется комбинирование естественных процессов гравитации и инерции, а также центробежной силы. В этих устройствах очистка воды ведется в непрерывном режиме и не сопровождается ростом гидравлического сопротивления аппарата по мере накопления уловленных им загрязнений. Кроме того, удаление уловленных загрязнений производится без остановки (выведения из работы) устройства для его периодической разборки и очистки. Инерционно-гравитационные фильтры-грязевики обладают высокой надежностью, так как сохраняют свою работоспособность даже в случае попадания в них крупных, твердых загрязнений (таких как камни, галька, гравий, случайные предметы и др.) с потоком очищаемой воды, поскольку в своей конструкции не имеют сеток и фильтрующих элементов, которые могут быть повреждены указанными загрязнениями. Отличительные принципиальные и конструктивные особенности, а также ряд эксплуатационных преимуществ инерционно-гравитационных фильтров-грязевиков, подтвержденных большим положительным опытом их внедрения [1], привели к развитию и совершенствованию конструкций этих устройств.
Известен грязевик (RU Патент №42438, дата приоритета: 21.07.2004 г., дата публикации: 10.12.2004 г., МПК: B01D 43/00, F16L 55/24), в котором устройство снабжено трубой, установленной в корпусе на одной оси с входным и выходным патрубками и жестко соединенной с выходным патрубком, установленным в днище корпуса, а противоположный конец трубы закрыт отбойным конусом; вдоль трубы дополнительно установлены конусообразные поверхности, образующие острый угол с трубой со стороны днища; на частях трубы, перекрытых конусообразными поверхностями, выполнены продольные прорези, а ниже последней конусообразной поверхности, расположена конусообразная поверхность, жестко соединенная со стенкой корпуса, образующая с ней острый угол со стороны днища, а ее размер больше зазора между стенкой корпуса и последней конической поверхностью, установленной на трубе. Недостатками известного устройства является невысокая степень очистки воды от частиц загрязнений с плотностью меньшей, чем у воды. Кроме того, в устройстве не предусмотрена возможность удаления из корпуса всплывающих в воде загрязнений.
Известен грязевик (RU Патент РФ №54318, дата приоритета: 10.01.2006 г., дата публикации: 27.06.2006 г., МПК: B01D 43/00), который содержит корпус с днищем, с входным и выходным патрубками, расположенными на одной оси, и с патрубками для вывода грязи, трубу, установленную в корпусе на одной оси с входным и выходным патрубками и жестко соединенную с выходным патрубком, установленным в днище корпуса, а противоположный конец трубы закрыт отбойным конусом, на трубе, вокруг нее, по ее длине установлены, конусообразные поверхности, образующие острый угол с трубой со стороны днища, также на частях трубы, перекрытых конусообразными поверхностями, выполнены продольные прорези, при этом каждая конусообразная поверхность, установленная на трубе в своей широкой части сопряжена с цилиндрической обечайкой. Устройство оснащается патрубками, установленными в верхнем днище корпуса, что позволяет улавливать и периодически удалять легкие (всплывающие в воде) частицы загрязнений. Недостатком известного устройства является невысокая эффективность очистки жидкой среды от взвешенных примесей (с плотностью близкой к плотности воды), так как при увеличении расхода среды поток воды, проходящий внутри корпуса, может захватывать и уносить часть этих примесей в прорези под конусообразные водонаправляющие поверхности. Кроме того, в устройстве не предусмотрена возможность применения центробежной силы, которая позволила бы дополнительно увеличить эффективность отделения частиц загрязнений.
Известен фильтр - грязевик инерционный центробежно-гравитационный с тангенциальным входом (RU Патент №131645, дата приоритета: 01.03.2013 г., дата публикации: 27.08.2013 г., МПК: B01D 43/00, F16L 55/24), который содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус с верхней и нижней крышками, входной и выходной патрубки, верхняя крышка содержит дренажный патрубок для удаления всплывающих загрязнений и воздушной подушки, а в нижней крышке установлен по оси фильтра патрубок с краном для периодического удаления задержанных примесей. Входной патрубок расположен тангенциально по отношению к корпусу фильтра. Анализ известного устройства показал, что отвод очищаемой воды только через один расширяющийся участок трубы, выполненный в виде усеченного конуса в своей широкой части сопряженной с цилиндрической обечайкой и установленными на ней наклонными лопатками, не обеспечивает равномерного снижения скорости потока очищаемой воды (отсутствует ступенчатое распределение объемного расхода по мере вертикального движения потока в корпусе). Из-за этого весь поток жидкости поступает под единственную ступень отвода очищаемой воды - в расширяющийся участок внутренней вставки с высокой скоростью движения и турбулентностью. При этом слои загрязненной и очищенной воды перемешиваются, а это приводит к попаданию мелкодисперсных взвешенных веществ в поток отводимой из аппарата воды.
Применение центробежной силы для отделения частиц загрязнений из потока воды реализовано в известном устройстве для очистки жидких сред от примесей (RU Патент №120577, МПК B01D 43/00, дата приоритета: 01.03.2013 г., дата публикации 27.09.2012 г.), в котором очистка потока воды от тяжелых и легких фракций (в том числе и газообразных включений) загрязнений производится более эффективно. Устройство содержит корпус с крышкой и днищем, очистные патрубки, входной тангенциально подведенный и заглубленный в корпус патрубок и выходной патрубок, расположенный на одной оси с трубой, установленной в корпусе и жестко соединенной с выходным патрубком, установленным в днище корпуса, а противоположный конец трубы закрыт отбойной водонаправляющей поверхностью; на трубе, вокруг нее, по ее длине установлены водонаправляющие поверхности, форма которых позволяет воде двигаться по ним в сторону дна; также на частях трубы, перекрытых водонаправляющими поверхностями, выполнены продольные прорези. Входной патрубок выполнен в виде трубы, тангенциально установленной и введенной внутрь корпуса сбоку и имеющей сужающееся выходное сечение по сравнению с входным сечением трубы входного патрубка, а в верхней части корпуса имеется объемная камера, сформированная пространством между верхней крышкой и усеченным конусом, отделяющим ее от нижерасположенного внутреннего пространства корпуса, причем камера снабжена очистным патрубком, расположенным в верхней точке корпуса. Однако, в известном техническом решении не предусмотрено выполнение некоторых конструктивных мероприятий, обеспечивающих лучшую равномерность и однородность вращающегося потока, например, таких как установка направляющих лопаток.
Устранение указанных недостатков предпринято в фильтре-грязевике (RU Патент №192851, МПК B01D 43/00, F16L 55/24, Е21В 43/08, дата приоритета: 01.07.2019 г., дата публикации 03.10.2019 г.), который выбран в качестве прототипа как наиболее близкий к предлагаемому по совокупности существенных признаков.
Фильтр-грязевик содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки. Корпус снабжен крышкой и днищем. В крышке корпуса и в днище корпуса выполнены дренажные патрубки. Входной патрубок установлен тангенциально к корпусу и заглублен в него. Внутри корпуса установлена труба, расположенная соосно корпусу, нижний конец трубы снабжен выходным патрубком, а верхний конец трубы закрыт крышкой. Между крышкой корпуса и крышкой, закрывающей верхний конец трубы, установлена тарелка. Вдоль трубы установлено три водонаправляющих элемента, каждый из которых расположен вокруг трубы и выполнен расширяющимся книзу. Под каждым водонаправляющим элементом расположено кольцо, соединенное с нижней частью водонаправляющего элемента. На участках трубы, вокруг которых установлены водонаправляющие элементы, выполнены сквозные отверстия. Вокруг кольца, соединенного с нижней частью верхнего, расположенного первым (по ходу движения потока), водонаправляющего элемента, в пространстве между стенкой корпуса и кольцом установлены направляющие лопатки, соединенные с кольцом, а под каждым водонаправляющим элементом вокруг трубы установлена тарелка, расширяющаяся кверху, причем больший диаметр водонаправляющего элемента превышает больший диаметр расположенной под данным водонаправляющим элементом тарелки. Направляющие лопатки обеспечивают центробежную принудительную направленность потока вниз вдоль стенки корпуса и увеличение (за счет дополнительной раскрутки потока) центробежной силы, действующей на поток и содержащиеся в нем частицы механических примесей, в результате чего частицы механических примесей испытывают более интенсивное воздействие центробежной силы, прижимающей их к стенке корпуса, вследствие чего частицы загрязнений не захватываются турбулентными вихрями в центральной зоне потока, а осаждаются вниз в накопительную зону. Тарелки под каждым водонаправляющим элементом обеспечивают отвод турбулентных потоков загрязненной воды от участков трубы, где выполнены отверстия, что улучшает гидродинамику очистки воды.
Недостатком известного фильтра-грязевика (прототипа) является отсутствие ряда конструктивных решений, направленных на повышение эффективности разделения очищенных и загрязненных слоев потока за счет отделения примесей из очищаемого потока воды и более полного их удаления из аппарата, а именно:
- в устройстве не предусмотрено какое-либо конструктивное решение, направленное на предотвращение взмучивания слоя накопленных на нижнем днище фильтра-грязевика загрязнений при возможных изменениях гидравлических режимов работы фильтра-грязевика, установленного в трубопроводной системе (например, при резких изменениях расхода рабочей среды или гидравлических ударах в трубопроводной сети). Кроме того, формирование слоя осевших частиц загрязнений и крупнодисперсных фрагментов происходит на всей поверхности нижнего днища, а для их удаления используется единственный патрубок небольшой площади сечения (по сравнению с площадью днища), который установлен в нижней точке днища. Следовательно, при сливе накопленных загрязнений из аппарата будут удаляться только наиболее близкие к точке дренирования отложения, в то время как остальные загрязнения, осевшие на днище за пределами сечения дренажного патрубка, будут образовывать не удаляемый слоистый осадок, верхний слой которого может взмучиваться при переменных гидравлических режимах, загрязняя поток отводимой очищенной воды, а нижний слой может слеживаться и формировать плотную шламовую структуру, не поддающуюся полному удалению через дренажный патрубок;
- примененная конструкция тарелки, выполненной в виде расширяющегося кверху конуса, установленной между крышкой корпуса (верхним днищем) и крышкой, закрывающей внутреннее пространство трубы для отвода очищенной воды, обеспечивающей удержание всплывающих загрязнений и снижение турбулентности потока в пространстве под верхним днищем, в сочетании с используемой конструкцией верхнего дренажного патрубка не обеспечивает полноты удаления из устройства загрязнений, которые могут оседать на внутренней образующей поверхности тарелки. При попадании частиц загрязнений и взвешенных веществ на тарелку со стороны верхнего днища их дальнейшее удаление с нее не представляется возможным (фактически коническая тарелка будет наполняться загрязнениями в ходе работы аппарата вплоть до ее полного заполнения). При этом заявленная в прототипе функция тарелки (формирование объемного пространства для улучшения удержания и удаления всплывших загрязнений) будет утрачена;
- установка элементов (лопаток), обеспечивающих центробежную принудительную направленность потока вниз и увеличение центробежной силы, воздействующей на поток и содержащиеся в нем частицы, произведена под одинаковым углом в диапазоне 45-60 градусов (угол между вертикальной осью корпуса и поперечной осью каждой из направляющих лопаток) в пространстве между стенкой корпуса и кольцом первого, второго и третьего водонаправляющих элементов. Установка лопаток с одинаковым углом на всех водонаправляющих элементах ведет к неоднородности и увеличению турбулентности потока при движении среды в зонах второго и, особенно, третьего (по ходу движения потока) водонаправляющих элементов. Это связано с тем, что объемный расход жидкости ступенчато, от одной к другой зоне, уменьшается (с соответствующим снижением скорости потока при прохождении каждой из этих зон), а концентрация взвешенных частиц в нисходящем потоке увеличивается. Следовательно, вращательное движение по мере нисходящего движения потока от второго к третьему водонаправляющему элементу и от третьего водонаправляющего элемента к третьему ряду отверстий в водоотводящей трубе должно постепенно замедляться и переходить в третьей зоне (где концентрация взвешенных частиц имеет наибольшее значение) в полностью равномерное течение (ламинарный режим) без влияния вихрей, которые сопровождают любое вращательное движение. В прототипе такое условие не выдерживается, так как, например, в объеме жидкости, находящемся под третьим водонаправляющим элементом (фактически в зоне, где уже завершается разделение очищенного и загрязненного потоков), направляющими лопатками, расположенными в пространстве между стенкой корпуса и кольцом третьего водонаправляющего элемента под углом 45-60 градусов, формируется принудительное вращательное движение и дополнительная раскрутка потока, которые неизбежно приводят к возникновению вихрей и смешению слоев очищенной и неочищенной воды в потоке, что сопровождается поступлением взвешенных веществ в отверстия трубы, предназначенной для вывода очищенной воды. Этот недостаток ухудшает условия отделения частиц загрязнений в фильтре-грязевике и приводит к снижению эффективности очистки воды в устройстве (особенно, от мелкодисперсных частиц и взвешенных веществ).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка новой конструкции инерционно-гравитационного фильтра-грязевика, в котором обеспечивается высокая степень очистки для более широкого диапазона видов загрязнений и очищаемых рабочих сред.
Техническим результатом является повышение эффективности очистки воды от механических, взвешенных, всплывающих и газообразных загрязнений и их более полное удаление из аппарата.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит в своем составе вертикально расположенный цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки. Корпус имеет нижнее и верхнее днища. В нижнем и верхнем днищах установлены дренажные патрубки. Входной патрубок установлен тангенциально к корпусу и заглублен в него. Внутри корпуса установлена труба, расположенная соосно корпусу, нижний конец трубы снабжен выходным патрубком, а верхний конец трубы закрыт крышкой. Между верхним днищем и крышкой, закрывающей верхний конец трубы, установлена тарелка. Вдоль трубы, вокруг нее установлены расширяющиеся книзу водонаправляющие элементы, форма которых позволяет воде двигаться по ним в сторону дна. Под каждым водонаправляющим элементом расположено цилиндрическое кольцо, соединенное с нижней частью водонаправляющего элемента. На участках трубы, вокруг которых установлены водонаправляющие элементы, выполнены сквозные отверстия. Вокруг каждого цилиндрического кольца, соединенного с нижней частью водонаправляющего элемента, в пространстве между стенкой корпуса и кольцом установлены направляющие лопатки, соединенные с кольцом и корпусом, а под каждым водонаправляющим элементом вокруг трубы установлена тарелка, расширяющаяся кверху, больший диаметр которой меньше большего диаметра водонаправляющего элемента.
Но, в отличие от известного устройства, в предлагаемом в нижней части корпуса установлена тарелка, выполненная в виде усеченного конуса, своей широкой частью направленного кверху, а своей узкой частью образующего проходное отверстие, которое соосно корпусу. Установленная между верхним днищем и крышкой, закрывающей верхний конец трубы для отвода очищенной воды, тарелка выполнена в виде усеченного конуса, который своей широкой частью направлен кверху, а своей узкой частью образует проходное отверстие, которое соосно корпусу. Установка направляющих лопаток, обеспечивающих принудительную направленность потока, произведена в пространстве между стенкой корпуса и кольцом первого, второго и третьего водонаправляющих элементов под разным углом (угол между осью корпуса и поперечной осью каждой из направляющих лопаток) в диапазоне: 45-60 градусов для первого водонаправляющего элемента, 20-35 градусов для второго водонаправляющего элемента, 0-5 градусов для третьего водонаправляющего элемента.
Выполнение в заявляемой полезной модели, в отличие от прототипа, установленной в нижней части корпуса тарелки, выполненной в виде усеченного конуса, своей широкой частью направленного кверху, а своей узкой частью образующего проходное отверстие, которое соосно корпусу, обеспечивает предотвращение взмучивания слоя накопленных на нижнем днище фильтра-грязевика загрязнений при изменениях гидравлических режимов работы устройства (например, при резких изменениях расхода рабочей среды или гидравлических ударах в трубопроводной сети, в которой установлен аппарат), так как создает под собой пространство между собственной нижней образующей и нижним днищем устройства, защищающее от возможного воздействия изменений гидродинамического режима. Конусность тарелки и наличие в ней проходного отверстия дает возможность частицам загрязнений смещаться по внутренней образующей поверхности тарелки к отверстию и оседать, накапливаясь на нижнем днище, в непосредственной близости к проходному сечению нижнего дренажного патрубка. Следовательно, при открывании нижнего дренажного патрубка будет обеспечено более полное удаление накопленных устройством загрязнений.
Выполнение в заявляемой полезной модели, в отличие от прототипа, установленной между верхним днищем и крышкой, закрывающей верхний конец трубы для отвода очищенной воды, тарелки в виде усеченного конуса, который своей широкой частью направлен кверху, а своей узкой частью образует проходное отверстие, которое соосно корпусу, обеспечивает полноту удаления загрязнений, которые могут оседать на внутренней образующей поверхности тарелки, и предотвращает ее наполнение загрязнениями в ходе работы аппарата, исключая ее полное объемное заполнение и утрату ее функционального назначения (формирование объемного пространства для улучшения удержания и удаление всплывших загрязнений). Конусность тарелки и наличие в ней проходного отверстия дает возможность частицам взвешенных и осевших на тарелку загрязнений смещаться по внутренней образующей поверхности тарелки к отверстию и падать вниз для дальнейшего отделения в устройстве, а не накапливаться на ней, снижая объем пространства для удержания и удаления всплывших загрязнений. При этом всплывшие загрязнения и газообразные включения собираются в предназначенном для них пространстве и более полно удаляются из устройства при открывании дренажного патрубка.
Также применение в заявляемой полезной модели, в отличие от прототипа, направляющих лопаток так, как описано выше, обеспечивает ступенчатое снижение интенсивности вращения потока по мере его нисходящего движения от одного до другого водонаправляющего элемента, которое сочетается со ступенчатым снижением объемного расхода жидкости от одной к другой зоне (с соответствующим снижением скорости потока при прохождении каждой из этих зон). Таким образом, в зоне последнего (по ходу движения потока) водонаправляющего элемента, где окончательно завершается разделение очищенного и загрязненного слоев потока, обеспечивается полностью равномерное течение (ламинарный режим) без вращения потока и образования вихрей. Следовательно, улучшаются гидродинамические условия отделения частиц загрязнений (особенно, от мелкодисперсных частиц и взвешенных веществ) и повышается эффективность очистки воды в устройстве.
Таким образом, выполнение в заявляемой полезной модели вышеперечисленных отличительных признаков, позволяет при работе фильтра-грязевика осуществить, по сравнению с прототипом, повышение эффекта очистки воды от механических, взвешенных, всплывающих загрязнений и газообразных включений в жидкости (в том числе, с широким спектром видов загрязнений и особенными свойствами) и их более полное удаление из устройства.
Результаты мониторинга промышленной эксплуатации инерционно-гравитационных фильтров-грязевиков, а также опытных и модельных образцов аппаратов, подтвердили повышение эффекта очистки воды при выполнении трех участков трубы, отводящей очищенную воду из устройства, через соответствующие ряды сквозных отверстий (круглых, щелевидных или иной формы), вокруг которых устанавливаются водонаправляющие элементы, которые формируют зоны отделения частиц загрязнений из нисходящего потока жидкости. Общая площадь сквозных отверстий, выполненных на каждом участке трубы, вокруг которого установлен водонаправляющий элемент, последовательно (ступенчато) уменьшается от верхнего участка к нижнему участку. Это обеспечивает ступенчатое уменьшение объемного расхода жидкости от одной зоны к другой (с соответствующим снижением скорости потока при прохождении каждой из этих зон), поэтому, чем больше количество зон, тем больше ступеней в снижении скорости потока на каждой из них. Однако, увеличение количества зон свыше трех ведет к неоправданному росту вертикального габаритного размера фильтра-грязевика и соответственно затрат на его изготовление, транспортировку и монтаж на производственных объектах, для которых устройство предназначено. При уменьшении количества зон (одна или две), при прочих равных условиях и конструктивном исполнении, не обеспечивается необходимый режим ламинарности потока, и эффект очистки снижается. В общем случае, число участков со сквозными отверстиями, окруженных водонаправляющими элементами, определяется с учетом требований потребителя к эффекту очистки воды и габаритных ограничений на месте установки аппарата.
Входной патрубок может быть установлен под прямым углом к вертикальной оси корпуса, что упрощает монтаж при горизонтальной компоновке подводящего трубопровода.
Выходной патрубок фильтра-грязевика в зависимости от проектного решения может быть расположен под любым углом к оси корпуса и проходить через нижнее днище, обечайку корпуса или верхнее днище (фиг. 3).
Нижнее и верхнее днище фильтра-грязевика по форме может быть плоским, коническим, эллиптическим или дугообразной формы в зависимости от рабочих параметров среды и проектного решения по присоединению патрубков устройства к трубопроводной системе.
Крышка, закрывающая верхний конец трубы, может быть выполнена в виде расширяющегося книзу элемента с формой конуса, полусферы или дугообразной формы с целью улучшения гидродинамических условий потока воды, поступающего в корпус через входной патрубок (снижение гидравлического сопротивления и хорошая обтекаемость).
С целью эффективного улавливания и сбора всплывающих загрязнений, газообразных включений и взвешенных частиц, а также полноты удаления загрязнений тарелка, установленная между верхним днищем и крышкой, закрывающей верхний конец трубы, выполнена в виде расширяющегося кверху элемента с формой усеченного конуса.
Водонаправляющие элементы, обеспечивающие равномерное распределение нисходящего потока, могут быть выполнены в виде расширяющегося книзу элемента с формой усеченных конуса, полусферы или дугообразной формы.
Цилиндрическое кольцо, соединенное с нижней частью водонаправляющего элемента, обеспечивает равномерный кольцевой зазор между собой и корпусом фильтра-грязевика.
С целью обеспечения принудительной направленности и ступенчатого снижения интенсивности вращения потока по мере нисходящего движения воды от одного до другого водонаправляющего элемента, которое сочетается со ступенчатым снижением объемного расхода жидкости от одной к другой зоне (с соответствующим снижением скорости потока при прохождении каждой из этих зон) установка направляющих лопаток в пространстве между стенкой корпуса и цилиндрическим кольцом водонаправляющих элементов выполнена под разным углом (угол между вертикальной осью корпуса и поперечной осью каждой из направляющих лопаток) в диапазоне: 45-60 градусов для первого водонаправляющего элемента, 20-35 градусов для второго водонаправляющего элемента, 0-5 градусов для третьего водонаправляющего элемента. Таким образом, в зоне последнего (по ходу движения потока) водонаправляющего элемента, где окончательно завершается разделение очищенного и загрязненного слоев потока, обеспечивается полностью равномерное течение (ламинарный режим) без вращения потока и образования вихрей. Следовательно, улучшаются гидродинамические условия отделения частиц загрязнений (особенно, от мелкодисперсных частиц и взвешенных веществ) и повышается эффективность очистки воды в устройстве. Оптимальные диапазоны углов наклона направляющих лопаток (указанные выше), при которых происходит наиболее эффективное осаждение частиц примесей и повышение эффекта очистки воды, определены в результате экспериментальных исследований, задачей которых было оценка влияния различного сочетания углов установки лопаток в кольцевых зазорах, образуемых тремя водонаправляющими элементами. Эффект очистки воды определялся на лабораторной установке (опытный образец фильтра-грязевика) по массе уловленного осадка (по калиброванному кварцевому песку). В таблице представлены данные, характеризующие эффективность очистки воды при разных сочетаниях углов установки лопаток на трех водонаправляющих элементах. В 1 варианте принято расположение направляющих лопаток, как указано в прототипе. В 13 варианте - как в заявляемой модели. В вариантах со 2 по 12 - промежуточные диапазоны.
Тарелка, установленная под каждым водонаправляющим элементом, может быть выполнена в виде расширяющегося кверху элемента с формой усеченных конуса, полусферы или дугообразной формы.
С целью обеспечения возможности удаления уловленных всплывающих загрязнений, газообразных включений и взвешенных частиц в верхнем днище выполнен дренажный патрубок. Для равномерного удаления накопленных загрязнений количество патрубков может быть более одного.
С целью обеспечения возможности удаления уловленных осевших частиц механических загрязнений в нижнем днище корпуса выполнен дренажный патрубок. Для равномерного удаления накопленных загрязнений количество патрубков может быть более одного.
С целью обеспечения возможности удаления крупных фрагментов загрязнений и случайных предметов с нижнего днища фильтра-грязевика на боковой поверхности корпуса выполнен люк.
С целью обеспечения устойчивости устройства и его вертикального положения корпус фильтра-грязевика установлен на регулируемые опоры.
Полезная модель поясняется фиг. 1, на которой показан продольный разрез предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показана развертка цилиндрических колец с установленными направляющими лопатками на каждом водонаправляющем элементе.
На фиг. 3 показано присоединение устройства к трубопроводной системе при различной компоновке входного, выходного и дренажных патрубков.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Фильтр-грязевик инерционно-гравитационный с тангенциальным подводом воды содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, установленный на регулируемые опоры 18. Входной патрубок 2 установлен тангенциально к корпусу 1 и заглублен в него под прямым углом к оси корпуса 1. Подача жидкости через входной патрубок 2 тангенциально (по касательной к корпусу 1) формирует вращательное движение потока внутри корпуса 1 и обеспечивает использование центробежной силы для отделения частиц загрязнений из потока. Выходной патрубок 3 жестко соединен с концом трубы 8, расположенной внутри корпуса 1. В рассматриваемом примере выполнения фильтра-грязевика выходной патрубок 3 проходит через нижнее днище 4 по оси корпуса 1 (фигуры 1 и 3). В нижнем днище 4 установлены дренажные патрубки 7. В рассматриваемом примере выполнения фильтра-грязевика на нижнем днище 4 установлено три дренажных патрубка 7. В верхнем днище 5 установлен дренажный патрубок 6, обеспечивающий периодическое удаление из верхней зоны фильтра-грязевика всплывающих частиц и взвешенных веществ, а также газообразных включений. В рассматриваемом примере образующая нижнего 4 и верхнего 5 днищ имеет эллиптическую форму. Верхний конец трубы 8 закрыт крышкой 9. В рассматриваемом примере образующая крышки 9 имеет дугообразную форму, что обеспечивает хорошую обтекаемость и снижение гидравлического сопротивления устройства. Между верхним днищем 5 и крышкой 9, закрывающей верхний конец трубы 8, установлена тарелка 10, имеющая форму усеченного конуса, который своей узкой частью образует проходное отверстие, которое соосно корпусу 1. Конусность тарелки 10 и наличие в ней проходного отверстия дает возможность частицам загрязнений смещаться по внутренней образующей поверхности тарелки 10 к отверстию и падать вниз для дальнейшего отделения в устройстве, а не накапливаться на ней, что обеспечивает полноту удаления загрязнений из верхнего пространства корпуса 1. Вдоль трубы 8, вокруг нее установлены расширяющиеся книзу водонаправляющие элементы 11. В рассматриваемом примере выполнения фильтра-грязевика установлено три водонаправляющих элемента 11, которые имеют конусообразную форму. Под каждым водонаправляющим элементом 11 расположено цилиндрическое кольцо 12, соединенное с нижней частью каждого водонаправляющего элемента 11. Цилиндрическое кольцо 12 создает между своей внешней стороной и стенкой корпуса 1 кольцевой зазор, обеспечивающий равномерность скорости течения потока. На участках трубы 8, вокруг которых установлены водонаправляющие элементы 11, выполнены сквозные отверстия 13. В рассматриваемом примере сквозные отверстия 13 выполнены в виде продольных прорезей. Длина каждого из участков с отверстиями 13 в трубе 8 последовательно (ступенчато) уменьшается от верхнего участка к нижнему участку. Таким образом, обеспечивается зональное распределение расхода поступающей в устройство жидкости, и снижаются скорости ее движения при прохождении каждой из этих зон под водонаправляющими элементами 11. Общая площадь сквозных отверстий 13 обеспечивает заданную пропускную способность устройства и определяется расчетным расходом очищаемой воды. Вокруг каждого цилиндрического кольца 12, соединенного с нижней частью каждого водонаправляющего элемента 11, в пространстве между стенкой корпуса 1 и кольцом 12 установлены направляющие лопатки 14, выполненные в виде пластин, установленных радиально к кольцу 12 и жестко соединенные с кольцом 12 и корпусом 1. Установка лопаток 14 производится под разным углом α, α, α на каждом кольце 12 в диапазонах: α=45-60 градусов для первого водонаправляющего элемента, α=20-35 градусов для второго водонаправляющего элемента, α=0-5 градусов для третьего водонаправляющего элемента. Указанное сочетание диапазонов углов наклона лопаток 14 снижает интенсивность вращательного движения по мере нисходящего прохождения потока от одного до другого водонаправляющего элемента 11 и являются оптимальным, так как при этом происходит наиболее эффективное отделение из потока и осаждение частиц загрязнений. В представленном примере выполнения фильтра-грязевика углы наклона лопаток 14 составляют соответственно α=45 градусов, α=20 градусов, α=5 градусов (фиг. 2) Под каждым водонаправляющим элементом 11 вокруг трубы 8 установлена тарелка 15, расширяющаяся кверху, а также ребра 17, которые обеспечивают выравнивание (снижение интенсивности вращения) восходящего потока под ним, а также жесткое крепление водонаправляющих элементов 11 к трубе 8. В нижней части корпуса 1 установлена тарелка 16, выполненная в виде усеченного конуса, имеющего в нижней своей части проходное отверстие, которое соосно корпусу 1, что дает возможность частицам загрязнений смещаться по внутренней образующей поверхности тарелки к отверстию и оседать, накапливаясь на нижнем днище 4, в непосредственной близости к проходному сечению дренажных патрубков 7. Это обеспечивает полноту удаления из устройства накопленных загрязнений и предотвращение взмучивания слоя осадка на нижнем днище 4 фильтра-грязевика при изменениях гидравлических режимов в трубопроводной сети. Корпус 1 установлен на регулируемые опоры 18. В нижней части корпуса 1 установлен люк 19.
Устройство работает следующим образом.
Загрязненная жидкость через тангенциально расположенный входной патрубок 2 попадает внутрь корпуса 1 и приобретает вращательное движение. За счет увеличения площади гидравлического сечения на уровне входного патрубка 2 скорость потока уменьшается, создаются условия для отделения из поступающего потока жидкости газообразных включений, всплывающих и взвешенных частиц, которые, последовательно проходя через кольцевой зазор между внешним краем тарелки 10 и стенкой верхнего днища 5, поднимаются в верхнюю часть корпуса 1 и собираются в объемном пространстве между верхним днищем 5 и тарелкой 10, откуда периодически удаляются через патрубок 6. При этом тарелка 10, выполненная в виде усеченного конуса, отделяет верхний объем жидкости с газообразными включениями и всплывающими примесями от вращающегося потока. Взвешенные вещества или мелкодисперсные частицы тяжелых загрязнений, которые выпадают на верхнюю образующую тарелки 10, не накапливается на ней, так как за счет конусности тарелки 10 смещаются к ее оси и через проходное отверстие выпадают вниз для дальнейшего отделения от жидкости.
Нисходящий вращающийся поток жидкости опускается на водонаправляющую поверхность, образованную крышкой 9, закрывающей трубу 8, и первым водонаправляющим элементом 11. Форма поверхности обеспечивает хорошую обтекаемость и малое гидравлическое сопротивление потоку жидкости. Далее поток проходит в кольцевом зазоре между корпусом 1 и цилиндрическим кольцом 12. За счет направляющих лопаток 14, установленных в этом зазоре под углом 45-60 градусов, вращающийся поток становится более равномерным (без отклонений основного вектора потока), при этом, не теряя нисходящего вращательного движения. Частицы загрязнений за счет центробежной силы отбрасываются на периферию потока, к внутренней стенке корпуса 1 устройства. На частицы загрязнений в потоке также действует силы инерции и гравитации, определяющие их оседание в нижнюю часть устройства. Далее поток жидкости разделяется: одна часть потока уже очищенной жидкости, совершая поворот на 180 градусов, поступает под первый водонаправляющий элемент 11 и уходит через отверстия 13 в трубу 8, а другая часть потока еще не очищенной жидкости, продолжая нисходящее вращательное движение, проходит кольцевое сечение между корпусом 1 и цилиндрическим кольцом 12 второго водонаправляющего элемента 11. За счет направляющих лопаток 14, установленных в этом зазоре под углом 20-35 градусов, интенсивность вращательного движения потока снижается, при этом поток не теряет равномерности. Частицы загрязнений продолжают концентрироваться у внутренней стенки корпуса 1, а поток жидкости вновь разделяется: очищенная жидкость, совершая поворот на 180 градусов, поступает под второй водонаправляющий элемент 11 и уходит через второй ряд сквозных отверстий 13 в трубу 8. Оставшаяся часть потока неочищенной жидкости с наибольшей концентрацией загрязнений, плавно теряя свое вращательное движение, проходит кольцевое сечение между корпусом 1 и цилиндрическим кольцом 12 третьего водонаправляющего элемента 11. За счет направляющих лопаток 14, установленных в этом зазоре под углом 0-5 градусов, вращательное движение потока на выходе из кольцевого зазора полностью прекращается, а благодаря направляющим лопаткам 14, поток сохраняет равномерное нисходящее движение в ламинарном режиме. При этом очищенная жидкость, совершая поворот на 180 градусов, уходит под третий водонаправляющий элемент 11 через третий ряд сквозных отверстий 13 в трубу 8, а частицы загрязнений продолжают падение в нижнюю часть корпуса 1, находясь под действием сил инерции и гравитации. Осаждение частиц идет непосредственно в зону проходных сечений нижних дренажных патрубков 7, которая формируется тарелкой 16 в форме усеченного конуса, нижняя часть которого имеет проходное отверстие с диаметром, проекция которого на нижнее днище совпадает с диаметром окружности, образованной осями дренажных патрубков 7, если их более одного, или равным трем диаметрам проходного сечения дренажного патрубка, если он один. Загрязнения, которые накапливаются в указанной зоне нижнего днища 4, защищены от взмучивания, подъема и попадания в очищенную жидкость через третий ряд сквозных отверстий 13 в трубе 8 в случае изменений гидравлических режимов работы устройства (например, при резких изменениях расхода рабочей среды или гидравлических ударах в трубопроводной сети, в которой установлен аппарат) за счет пространства, образованного тарелкой 16 и нижним днищем 4.
Расположенный в корпусе 1 люк-лаз (люк-ревизия) 19, позволяет выполнять очистку нижней части фильтра-грязевика в период профилактических работ.
Таким образом, в предложенном инерционно-гравитационном фильтре-грязевике с тангенциальным подводом воды механические, взвешенные, всплывающие загрязнения и газообразные включения, присутствующие в широком спектре своих свойств и концентраций в различных водных рабочих средах, более эффективно отделяются от жидкости и более полно удаляются из устройства под действием гравитационной, инерционной и центробежной сил с помощью использованных в полезной модели конструктивных решений: тарелки 16, предотвращающей взмучивание и унос накопленных загрязнений и обеспечивающей их полное удаление из устройства через дренажные патрубки 7; тарелки 10, предотвращающей накопление на своей верхней образующей взвешенных загрязнений и потерю своей функциональности, и обеспечивающей более полное удаление уловленных загрязнений через дренажный патрубок 6; направляющих лопаток 14 с разным углом установки в каждом из цилиндрических зазоров между корпусом 1 и кольцом 12, обеспечивающих лучшее отделение частиц и не смешивание очищенного и загрязненного потоков жидкости в устройстве.
Таким образом, описание конструкции устройства и его работы доказывают возможность отделения из жидкой среды твердых механических, взвешенных веществ, всплывающих примесей и газообразных включений и их более полное удаление из устройства и, тем самым, из трубопроводных систем разного назначения с повышенным эффектом очистки от указанных загрязнений.
Используемая литература:
1. Батуев С.П., Останина Е.А., Идрисов С.М., Дю Е.Н., Боровская Н.В. Очистка больших расходов сетевой воды с применением инерционно-гравитационных грязевиков на крупных тепловых источниках, «Новости теплоснабжения» №3, 2012, с. 48-56.