НЕФТЕСБОРЩИК ДЛЯ РЕК С БЫСТРЫМ ТЕЧЕНИЕМ
OIL SKIMMER FOR RIVERS WITH FAST CURRENT

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может использоваться при сборе случайных или аварийных проливов нефти и нефтепродуктов с поверхности рек с быстрым течением.
Уровень техники
Известно техническое решение (1. RU 92030 U1, 30.11.2009) - автономный нефтесборщик, включающий несущую раму, на которой укреплено собирающее средство, имеющее олеофильную поверхность. В качестве привода он содержит ветровое колесо, которое при помощи трансмиссии соединено с собирающим средством.
Недостатками этого устройства являются: сложность конструкции - наличие трансмиссии, зависимость от скорости ветра.
Известно техническое решение (2. RU, патент 2413054 С1, 28.08.2009), в котором вода, обтекая водяное колесо, вращает его, в результате чего передаточный механизм вращает шкивы ленты Мебиуса. Нижняя часть ленты касается нефтепродуктов, которые прилипают к ней, и под воздействием шкивов перемещается вверх. За волной ленты Мебиуса, т.е. там, где внешняя сторона ленты становится внутренней, нефтепродукты снимаются съемником.
Недостатком этого устройства является: сложность устройства. Наличие передаточного механизма от водяного колеса, вращающего шкивы.
Наиболее близким является устройство (3. RU 89537 U1, 30.06.2009) для сбора нефтяного загрязнения с поверхности водоемов, использующее энергию волн. Это устройство представляет собой подвешенный резервуар с кольцевым ограничительным элементом в его верхнем конце, служащим посадочным местом для плавучего клапана с выпуклой верхней поверхностью (в форме шара или полусферы), причем нижний конец резервуара может быть заужен для присоединения груза, рукава или шланга. Резервуар заполнен водой.
Недостатками этого устройства являются: зависимость от характеристики волны - амплитуды, периода, погодных условий. Возможен пролив нефти из резервуара при засорении клапана.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание автономного, экологически чистого устройство для сбора нефти с поверхности рек с быстрым течением. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в снижении энергозатрат путем использования силы течения реки, архимедовой силы и силы атмосферного давления.
Существенные признаки, характеризирующие изобретение
Ограничительные: емкость нефтесборщика (далее устройства) наполнена водой.
Отличительные: устройство содержит перевернутую вверх дном емкость, края которой находятся ниже уровня воды, с плоской передней стенкой, перпендикулярной течению. Также содержит водяное колесо, установленное параллельно передней стенке, с осью, лежащей на поверхности воды, на расстоянии от передней стенки, равном радиусу водяного колеса. Вместо лопаток устанавливают лотки, одинаковые прямоугольные стороны которых образуют телесный прямой угол, при том одна прямоугольная сторона параллельна оси, другая прямоугольная сторона направлена в сторону движения лотка. Вершина телесного угла направлена в сторону оси.
Существует вариант, при котором для усиления тяги водяного колеса к оси крепятся 4 прямоугольные пластины; каждая пластина перпендикулярна соседним, а ширина ее меньше расстояния от оси до лотка.
Вследствие этого часть воды проходит через водяное колесо, между концом пластины и лотком, не снижая скорости.
Устройство устанавливают на дно реки близко от берега на ножки. Устройство можно установить на понтоны, поплавки и расположить в любом месте реке. Уровень погружения емкости устройства в воду должен быть достаточным, чтобы при изменении уровня воды вследствие волн воздух не попадал в емкость. Емкость заполняют водой путем откачки воздуха через отверстие на дне емкости. Нефть к устройству подводят с помощью бонов, перекрывающих реку или участок реки. Под действием проекции силы, представляющей собой векторную сумму силы течения и силы реакции опоры (в данном случае поверхности бона), направленной параллельно бонам, нефть будет двигаться в направлении устройство.
Под действием силы течения воды лотки вращаются, захватывая нефть с поверхности воды. Форма лотка выполнена с таким расчетом, чтоб он не захватывал воздух при погружении в воду и не захватывал воду при выходе из нее. Вследствие силы трения угловая скорость лотка будет меньше скорости течения.
Нефть выходит из лотка лопасти, находящего в нижнем положении, подхватывается течением и устремляется к емкости. Попадание нефти в емкость доказывается расчетом.
1
2
3
Предположим - длина лопасти d=75 см, уровень погружение емкости в воду d=25 см, ширина прямоугольной стенки лотка лопасти - d=15 см. Средняя плотность нефти 90-95% от плотности воды. Реки с быстрым течением характеризуются скоростью течения 1-3 м/с. Возьмем скорость течения - 1 м/с, а плотность нефти 90% от плотности воды.
Уравнение вертикальных сил, действующих на частицу нефти:
ч
в
ч
в
ч
ч
2
m·dv/dt=m·g-m·g-ρ·S·v-3·η·π·D·v
ч
m - масса частицы:
в
m - масса воды;
g - гравитационная постоянная;
в
ρ - плотность воды.
ч
S - площадь поперечного сечения частицы;
η - коэффициент вязкости, равный для воды 0,001 Па·с;
ч
D - диаметр частицы;
в
m·g - сила Архимеда;
ч
m·g - сила тяжести;
в
ч
2
ρ·S·v - сила "лобового сопротивления";
ч
3·η·π·D·v - сила Стокса.
Для частицы с малым диаметром и маленькой скоростью - число Рейнольдса, R<<1, поэтому силу "лобового сопротивления" можно не учитывать.
ч
Не нарушая доказательства, можно не учитывать и силу Стокса, при этом скорость всплытия частицы увеличится. Для ускорения частицы нефти - a получим выражение:
ч
в
ч
ч
2
a=g·(m-m)/m=g·0,1/0,9≈1.1 м/с
Выражение для длины пути - h, при движении частицу нефти вверх, выглядит следующим образом:
1
2
3
h=d-d-d=0,3 м
Время прохождения пути вычислим из формулы:
ч
2
h=a·t/2⇒t≈0,81 с
За это время, 1≈0,81 с, частица нефти проходит путь в горизонтальном направлении, равный 0.81 м, проходя под передней стенкой емкости.
Изобретение иллюстрируются чертежами
На фиг.1 показано боковое сечение устройства.
На фиг.2 показан лоток.
Осуществление изобретения
Устройство устанавливают на ножки 8 (фиг.1) на дно реки близко от берега. Передняя плоская стенка емкости 1 должна быть перпендикулярна течению. Устройство можно установить на понтоны, поплавки и расположить в любом месте реке. Уровень погружения емкости 1 устройства в воду должен быть достаточным, чтобы при изменении уровня вследствие волн воздух не попадал в емкость 1. Емкость 1 заполняют водой, откачивая воздух через отверстие в дне. Нефть подводят к устройству с помощью бонов, перекрывающих реку или участок реки.
Водяное колесо 4 крепят к емкости 1. Ось 7 водяного колеса 4 находится на расстоянии от передней плоской стенки, равном его радиусу. Ось 7 лежит на поверхности воды параллельно передней стенки емкости 1. Вместо лопаток устанавливают лотки 4 (фиг.2). К оси 7 крепятся 4 прямоугольные пластины 6. Каждая пластина 6 перпендикулярна соседним, а ширина ее меньше расстояния от оси до лотка 4. Под действием силы течения воды лотки 4 (фиг.1) вращаются, захватывая нефть с поверхности воды. При нижнем положении лотка 4 нефть выходит из лотка 5, подхватывается течением и, проходя под стенкой емкости 1, остается в ней. Далее под действием архимедовой силы нефть поднимается наверх и удерживается в емкости 1, как и вода под ней, силой атмосферного давления. По мере наполнения емкости 1 нефтью создают в участке трубы 2, находящейся после крана 3, давление меньше:
а
в
e
Р=Р-ρ·g·h
а
Р - давление атмосферы;
e
h - высота емкости над водой.
Открывают кран 3 и перекачивают нефть в другие емкости хранения. При этом вода внизу емкости 1, под действием силы атмосферного давления, поднимается вверх, заполняя ее.
Источники информации
1. RU, патент 92030 U1, 30.11.2009.
2. RU, патент 2413054 С1, 28.08.2009.
3. RU, патент 89537 U1, 30.06.2009.