АЭРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ГАЗА В ЖИДКУЮ СРЕДУ
AERATOR TO FEED GAS BUBBLES INTO FLUID

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к аэрационным устройствам и, в частности, к устройствам, выполненным с возможностью погружения в жидкую среду для введения в нее газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны устройства, выполненные с возможностью введения воздуха в водоемы и резервуары с другими текучими средами, и такое введение в целом называется аэрацией. Аэрация может выполняться с различными целями. Например, такие цели включают улучшение роста популяции рыб и улучшение условий рыбоводства в прудах для разведения рыб, обработку ила и т.д.
Один из типов аэрационного устройства обычно выполнен в виде развернутой в водоеме сети трубопроводов, удлинительные части которых проходят ниже уровня воды в водоеме для подачи воздуха.
Другой тип аэрационного устройства обычно выполнен в виде лопастей, расположенных на поверхности водоема и выполненных с возможностью вращения с выделением воздуха для обеспечения требуемого введения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается аэрационное устройство, выполненное с возможностью введения газа в жидкую среду и содержащее:
удлиненный основной распределительный элемент, имеющий ближний конец, выполненный с возможностью присоединения к источнику газа, и дальний конец, выполненный с возможностью погружения в указанную среду,
по меньшей мере один аэрационный элемент, присоединенный к основному распределительному элементу в месте на указанном распределительном элементе, расположенном на расстоянии от его ближнего конца, проточно сообщающийся с распределительным элементом и выполненный с возможностью приведения указанного газа в состояние, в котором он может быть захвачен указанной жидкой средой, и
плавучий элемент, установленный на основном распределительном элементе и выполненный с возможностью размещения в различных положениях вдоль распределительного элемента между его ближним концом и указанным местом, в котором аэрационный элемент присоединен к распределительному элементу, в зависимости от уровня жидкой среды.
Данное соединение между указанным по меньшей мере одним аэрационным элементом и основным распределительным элементом может быть в виде по меньшей мере одного соответствующего вспомогательного распределительного элемента, один конец которого присоединен к основному распределительному элементу в указанном месте, а другой его конец удерживает аэрационный элемент.
Основной распределительный элемент может быть выполнен в виде по существу полой стойки с основной осью, причем указанная стойка может быть выполнена из непроницаемого материала, то есть любого подходящего металла, например, стали, пластика и т.д. Ближний конец указанной стойки может быть выполнен с крепежным отверстием, подсоединяемым к линии подачи газа, выполненной с возможностью подачи указанного газа в указанную стойку. Дальний конец указанной стойки может быть выполнен с несколькими выпускными отверстиями, распределенными вокруг основной оси и расположенными перпендикулярно к ней на расстоянии друг от друга по окружности. К каждому выпускному отверстию может быть подсоединен по меньшей мере один вспомогательный распределительный элемент. Выпускные отверстия могут быть выполнены за одно целое со стойкой, или стойка может содержать на дальнем конце распределительную втулку, выполненную с указанными выпускными отверстиями.
Вспомогательные распределительные элементы могут быть выполнены в виде также по существу полых стержней, которые имеют впускной конец и выпускной конец. Стержень может быть прикреплен к указанной стойке путем введения его впускного конца в одно из указанных выпускных отверстий, так что в сборе стержень проходит по существу перпендикулярно стойке, то есть радиально относительно основной оси стойки.
Выпускной конец каждого вспомогательного распределительного элемента может быть выполнен за одно целое с указанным аэрационным элементом или может быть прикреплен к нему. Аэрационный элемент может создавать пузырьки указанного газа для обеспечения аэрации указанной среды. Таким образом, аэрационный элемент может быть выполнен в виде формирователя пузырьков, например диффузора, выполненного с возможностью создания из вводимого в него газа множества пузырьков.
Данный диффузор может быть выполнен с возможностью регулирования среднего размера пузырьков. Размер пузырьков определяется их средним диаметром и может составлять, например, для крупных пузырьков около 5-7 мм, а для мелких пузырьков около 1 мм. Крупные пузырьки могут использоваться для аэрации жидкости в виде суспензии, а мелкие пузырьки могут использоваться для аэрации обычной жидкости.
Для аэрационного устройства с большим диапазоном аэрируемых объемов дополнительно могут использоваться различные диффузоры. Кроме того, для регулирования объема вводимого в воду воздуха может использоваться частотно-регулируемый привод (ЧРП).
Плавучий элемент может быть изготовлен из материала, удерживающегося на плаву в жидкой среде, то есть материала, удельный вес которого меньше удельного веса указанной жидкости. Как вариант, плавучий элемент может быть выполнен в виде по существу полого корпуса с содержащимся в нем воздухом или любым другим газом, увеличивающим плавучесть всего устройства. В соответствии с конкретным вариантом выполнения полый корпус может быть выполнен в форме диска, диаметр которого соответствует длине стойки для обеспечения оптимальной устойчивости на плаву.
Устройство может дополнительно содержать крепежный узел, присоединенный к ближнему концу указанного основного распределительного элемента и выполненный с возможностью подвешивания устройства над уровнем жидкой среды путем присоединения крепежного узла к крепежной линии, проходящей над средой. Как вариант, устройство может быть подвешено на конструкции в виде крана. Подвешивание может использоваться в различных ситуациях, например, перед опусканием устройства в воду, во время очистки или осушения водоема, для очистки устройства и т.д.
Крепежный узел и крепежная линия также могут использоваться для размещения устройства в требуемом положении над средой. Таким образом, например, устройство может быть перемещено вдоль крепежной линии, пока оно не достигнет требуемого положения над жидкой средой, и затем может быть отсоединено от крепежной линии и сброшено в жидкость.
Устройство может дополнительно содержать опорные элементы, проходящие от его дальнего конца и выполненные с возможностью предотвращения механического удара распределительного элемента и/или вспомогательных распределительных элементов о поверхность дна водоема, в котором находится жидкая среда. Опорные элементы могут быть выполнены в виде ножек из соответствующего материала, например, стали, и могут быть снабжены амортизирующими подкладками, предотвращающими чрезмерное механическое воздействие на устройство при контакте с дном водоема. Смягчение механического удара аэрационного устройства о дно водоема также может предотвращать повреждение дна водоема.
Линия подачи газа может быть выполнена из легкого материала, который может удерживаться на плаву на поверхности жидкой среды. Например, она может быть выполнена из полиэтилена высокой плотности (ПВП). Линия подачи газа выполнена с возможностью подсоединения к устройству в течение всего времени его работы для обеспечения постоянной подачи газа, например, кислорода. При работе источник газа начинает нагнетать газ через линию подачи газа в основной распределительный элемент, из которого он поступает через вспомогательные распределительные элементы к аэрационным элементам, которые затем создают из газа пузырьки требуемого размера и выпускают указанные пузырьки в жидкую среду.
В нормальном положении при относительно высоком уровне жидкости в водоеме плавучий элемент расположен у верхней части основного распределительного элемента, то есть смежно с его ближним концом, и устройство подвешено на нем в жидкой среде. В данном положении указанные опорные элементы расположены выше поверхности дна водоема. Когда уровень жидкой среды понижается, то все устройство также перемещается вниз до тех пор, пока опорные элементы не столкнутся с поверхностью дна водоема. После размещения опорных элементов на поверхности дна водоема дальнейшее понижение уровня жидкости вызывает смещение плавучего элемента вниз вдоль основного распределительного элемента. Это позволяет аэрационному устройству сохранять требуемую ориентацию, при этом аэрационные элементы находятся по существу в горизонтальном положении.
Такое конструктивное решение отличается от обычных аэрационных устройств, известных в данной области техники, в которых плавучий элемент неподвижно закреплен, из-за чего, когда уровень жидкости понижается, плавучий элемент может оказаться выше этого уровня. Поэтому плавучий элемент может превратиться в противовес, который из-за сильного аэродинамического сопротивления может действовать в качестве паруса и наклонить все аэрационное устройство и даже опрокинуть его.
Понятно, что предлагаемое аэрационное устройство может быть особенно полезным в случаях, когда дно водоема неровное, что вызвано, например, качеством строительства. Аэрационное устройство также может быть полезно, когда уровень дна водоема может изменяться из-за скопления ила или твердых веществ.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предлагается установка, содержащая несколько указанных выше аэрационных устройств, в каждом из которых положение плавучих элементов вдоль основного распределительного элемента может регулироваться индивидуально.
Следует отметить, что в соответствии с конкретным вариантом выполнения конструкция аэрационных элементов и/или присоединение их вспомогательных распределительных элементов к основному распределительному элементу могут быть выполнены так, чтобы обеспечить вращательное перемещение пузырьков относительно оси основного распределительного элемента, что улучшает аэрацию и проникновение пузырьков газа в жидкость и перемешивание объема водоема.
Другое преимущество предлагаемого аэрационного устройства заключается в том, что оно не содержит подвижных частей, расположенных под водой при работе. Такое решение обеспечивает введение значительного объема кислорода в среду водоема и поддержание по существу низкого энергопотребления аэрационным устройством.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для понимания настоящего изобретения и способа его выполнения на практике далее приведено описание вариантов выполнения с использованием лишь неограничительных примеров со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематический вид в аксонометрии одного примера аэрационного устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2A представляет собой схематический вид крепежного устройства, удерживающего устройство, показанное на фиг.1 и подвешенное на нем, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.2B представляет собой схематический вид альтернативного крепежного устройства в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.3A представляет собой схематический вид устройства, показанного на фиг.1, расположенного в жидкой среде, уровень которой превышает полную длину устройства;
фиг.3B представляет собой схематический вид устройства, показанного на фиг.1, расположенного в жидкой среде, уровень которой равен полной длине устройства;
фиг.3C представляет собой схематический вид устройства, показанного на фиг.1, расположенного в жидкой среде, уровень которой меньше полной длины устройства;
фиг.4 представляет собой схематический вид нескольких аэрационных устройств, показанных на фиг.1, в водоеме с волнистой поверхностью дна.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
На фиг.1 показано аэрационное устройство, обозначенное в целом номером 10 позиции, выполненное с возможностью введения кислорода в жидкую среду (показана на фиг.2-4).
Аэрационное устройство 10 содержит удлиненный основной распределительный элемент 20, имеющий ближний конец 20а и дальний конец 20b, распределительный узел 30, прикрепленный к дальнему концу 20b основного распределительного элемента 20, плавучий элемент 40, установленный на первичном распределителе 20, и крепежный элемент 50, присоединенный к ближнему концу 20а основного распределительного элемента 20.
Основной распределительный элемент 20 представляет собой по существу полую цилиндрическую стойку диаметром около 2-3 дюймов (5-7 см), имеющую ось X-X и соединительное отверстие 24 на ближнем конце 20а, выполненное с возможностью присоединения линии 60 подачи кислорода, показанной на фиг.2-4, а также отверстие 26 с резьбой для установки распределительного узла 30. Стойка 22 может быть выполнена из различных непроницаемых материалов, например, стали, пластика и т.д.
Распределительный узел 30 содержит несколько вспомогательных распределительных элементов 34, каждый из которых имеет ближний конец 34a и дальний конец 34b, а также центральную распределительную втулку 32, к которой прикреплены элементы 34 своими ближними концами 34а. Вспомогательные распределительные элементы 34 выполнены в виде радиально проходящих полых ответвлений, которые через втулку 32 проточно сообщаются со стойкой 20. Вспомогательные распределительные элементы 34 проходят радиально относительно оси X-X на одинаковом расстоянии друг от друга и под одинаковым углом друг к другу.
Каждый из вспомогательных распределительных элементов 34 дистальным концом 34b соединен с аэрационным элементом 38, который имеет впускное отверстие 38a, проточно сообщающееся с внутренней частью распределительного элемента 34. В этом случае каждый аэрационный элемент 38 выполнен в виде трубчатого диффузора, выполненного с возможностью придания кислороду, поступающему во впускное отверстие 38а, формы множества пузырьков заданного размера и их выпуска через мембранную оболочку диффузора. Примером подобного диффузора может служить Airflex™ Tube Dissuser 2.
Например, мелкие пузырьки могут иметь размер около 1 мм, в этом случае диффузор может иметь диаметр около 6,5 см. В случае крупных пузырьков, диаметр которых может составлять 5-7 мм, диффузор может иметь диаметр около 9,4 см. Крупные пузырьки могут использоваться для аэрации жидкости в виде суспензии, а мелкие пузырьки могут использоваться для аэрации обычных жидкостей.
Устройство 10 дополнительно содержит несколько ножек 35, проходящих в осевом направлении наружу от вспомогательных распределительных элементов 34 и препятствующих механическому удару диффузоров 38 о твердую поверхность (на фиг.1 не показана), над которой должно использоваться устройство (например, дно водоема, в котором находится аэрируемая жидкая среда). Каждая ножка 35 снабжена амортизирующей подкладкой 37, препятствующей повреждению покрытия водоема и устройства 10 в случае механического воздействия.
Плавучий элемент 40 выполнен с центральным отверстием 44, обеспечивающим свободное прохождение стойки 22 через него. Плавучий элемент 40 выполнен в виде цилиндра диаметром около 1,3 м, заполненного воздухом и обладающего достаточной плавучестью для удержания всего устройства на плаву на поверхности аэрируемой жидкости, когда плавучий элемент находится в наивысшем положении на стойке 20. В плавучем элементе 40 также используется по сути известное полимерное вещество, препятствующее попаданию воды внутрь при повреждении.
К ближнему концу 20а стойки 20 присоединен крепежный элемент 50, выполненный с возможностью подвешивания устройства 10 любыми подходящими средствами. Размер крепежного элемента 50 в направлении, перпендикулярном оси X-X, превышает максимальный размер отверстия 44, что позволяет ему служить в качестве ограничителя для плавучего элемента 40, препятствуя отсоединению плавучего элемента от стойки 22.
При сборке на стойку 22 устанавливают свободно плавучий элемент 40 так, чтобы он мог перемещаться вдоль стойки. После этого к дальнему концу 20b стойки 22 прикрепляют распределительную втулку 32 вместе с установленными на ней вспомогательными распределительными элементами 34, при этом к каждому вспомогательному распределительному элементу 34 прикрепляют аэрационные элементы 38 так, что они проходят радиально в наружном направлении относительно основной оси стойки 22. Далее, аэрационное устройство 10 прикрепляют к линии 60 подачи кислорода, а к дальнему концу 20а стойки 22 прикрепляют крепежный элемент 50.
На фиг.2A показано аэрационное устройство 10 перед использованием, подвешенное над водоемом 100, имеющим неровное дно 104 и содержащим воду 102 с поверхностью 101. На берегу 106 водоема расположен подъемный кран 70, стрела 72 которого проходит над водоемом 100. Стрела 72 крана снабжена крюком 74, к которому присоединен крепежный элемент 50 устройства 10. Линия 60 подачи кислорода подсоединена к соединительному отверстию 24 стойки 22 (см. фиг.1) для подсоединения стойки к источнику 62 кислорода (на фиг.2 не показан), расположенному на берегу 106. Стрела 72 крана выполнена с возможностью перемещения устройства 10 в требуемое положение над водоемом 100. После достижения требуемого положения устройство 10 отсоединяют от крюка 74 и сбрасывают в воду 102.
На фиг.3A устройство 10 показано находящимся на плаву в воде 102. Плавучий элемент 40 обеспечивает подвешивание устройства 10 над поверхностью 104 дна, при этом распределительный узел 30 полностью погружен в воду 102. Уровень L1 воды превышает длину устройства 10, поэтому ножки 37 не касаются поверхности 104 дна водоема 100.
На фиг.3B уровень воды меньше и равен L2=D, при этом устройство 10 опирается на ножки 37, а плавучий элемент 40 все еще находится у верхней части стойки 22, обеспечивая вертикальное расположение стойки.
На фиг.3C уровень еще меньше и равен L3<D, при этом ножки продолжают опираться на поверхность 104 дна, а плавучий элемент 40 перемещается вниз вдоль стойки 22. Соответственно благодаря плавучему элементу 40 стойка 22 продолжает сохранять вертикальное положение, которое в случае закрепления плавучего элемента на стойке не сохранялось бы, а плавучий элемент находился бы в подвешенном состоянии выше уровня воды, вызывая опрокидывание аэрационного устройства и нарушение нормального функционирования.
Следует отметить, что в соответствии с приведенным выше примером, после установки устройства 10 в водоеме устройство остается подсоединенным только к линии 60 подачи кислорода, при этом нет необходимости в громоздкой и дорогостоящей вспомогательной конструкции над водоемом 100, обеспечивающей поддержку устройства 10 в подвешенном состоянии. Поскольку линия 60 подачи кислорода выполнена из легкого материала, как указано выше, то она может находиться на плаву на воде 102, что исключает необходимость подвешивания ее над водоемом 100.
При работе устройство 10 получает кислород от источника 62 кислорода через линию 60 подачи кислорода, подсоединенную к стойке 20, через которую кислород поступает через ответвления 34 к аэрационным элементам 38, а затем из них выпускается в воду 102 в виде пузырьков 12. При работе аэрационного устройства 10 выпуск пузырьков из узла вспомогательного распределительного узла 30 создает турбулентность потока воды вокруг стойки 22, улучшая введение воздуха в воду 102 водоема 100.
На фиг.2B показан пример, в котором подъемный кран 70 заменен тросовой конструкцией 80, содержащей крепежные стойки 82, расположенные на берегу 106 водоема, между которыми проходит направляющий трос 84 на высоте, меньшей, чем расстояние между ближним концом 20а и верхней поверхность 42а плавучего элемента.
В соответствии с этим примером устройство 10 прикреплено к тросу 84 крепежным элементом 50 и перемещается вдоль троса 84, например, как паром, пока не достигнет требуемого положения в водоеме 100. После достижения требуемого положения устройство 10 освобождается от троса 84 и, оставаясь на данном месте, начинает работать. Указанная конструкция также оказывается простой в установке и экономически эффективной, поскольку для нее требуются лишь крепежные стойки 82 и направляющий трос 84.
На фиг.4 показана аэрационная установка 110, содержащая несколько устройств 10, расположенных на расстоянии друг от друга в водоеме 120, имеющем такой рельеф поверхности 130 дна, что уровень L воды в этих положениях разный. Как показано, из-за разного уровня L воды во всех устройствах плавучие элементы 30 занимают различные положения вдоль стоек 20.
Специалистам в области техники, к которой относится настоящее изобретение, понятно, что возможны многочисленные изменения, варианты и модификации с соответствующими правками без отклонения от объема изобретения.