СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СТОКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TRANSPORTING HETEROGENEOUS EFFLUENTS AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к канализации и может быть использована при транспортировании жидких отходов, преимущественно в мобильных туалетах железнодорожных транспортных средств.
Известна вакуумная туалетная система ЭВАК-2000Р для железнодорожного транспорта фирмы "Пиллор-ЭВАК", включающая унитаз, связанный с баком-накопителем, и реализующая способ транспортирования фекальных стоков с вакуумированием откачной магистрали. Для создания вакуума может использоваться вакуумный насос или эжектор, подключенный к бортовой системе сжатого воздуха (RU 2138600 С1, Авак Эджектор АБ, 27.09.1999). К недостаткам системы относится повышенная «чувствительность» к посторонним предметам, попадающим в унитаз, а также необходимость поддержания вакуума в магистралях бака. Известна вакуумная канализационная система для транспортных средств, включающая унитаз со средствами смыва фекалий, связанная транспортирующей магистралью со сборным баком, в котором создается вакуум (US 4297751, Olin et al., 03.11.1981). Вакуумирование обеспечивается в транспортирующей магистрали посредством пневматического эжектора, питаемого от ресивера, связанного с магистралью сжатого воздуха, периодически открываемой в полость сборного бака, что, однако, требует поддержания его под разрежением.
В заявке RU 99114015, Эвак Инт. ОЙ; Фон Варвальва и др., 10.05.2001; и в патенте US 6243887 B1, EVAC Int. Оу, Pallfy et al., 12.06.2001, описана канализационная система, работающая при атмосферном давлении, содержащая унитаз с водяным затвором, отводную канализационную трубу длиной 5-15 м, внутренним диаметром не более 55 мм, клапан, вакуумный генератор-эжектор, приводимый в действие сжатым воздухом в течение нескольких секунд с расходом 1000-1500 л/мин и при динамическом давлении 10-30 кПа.
Известны также канализационные системы для транспортных средств, в которых сборный бак не требует постоянного вакуумирования и находится под атмосферным давлением (US 5873135, Tornqvist, 23.02.1999 - ближайший аналог обоих изобретений группы). Устройство содержит унитаз, транспортирующую магистраль с встроенным клапаном безопасности, инжекционный насос, питающая магистраль которого подключена к источнику сжатого воздуха, и сливную магистраль, связанную со сборным баком. Клапан безопасности исключает возникновение волны давления в направлении унитаза. Инжекционный насос (fig.7 аналога) представляет собой встраиваемую в транспортирующую магистраль осесимметричную конструкцию, включающую установленные с зазором в критическом сечении, образующем камеру смешения, подающий и выходной напорный патрубки. В зазор через кольцевую проточку посредством радиально и наклонно размещенных к направлению потока сопел эжектируется сжатый воздух, который в камере смешения формирует вакуум, засасывающий нечистоты, и осуществляет их транспортирование по сливной магистрали к сборному баку.
Однако при транспортировании жидких нечистот резко гетерогенного состава, где размеры отдельных посторонних предметов могут значительно превышать проходное сечение трубопроводов (как и инжекционного насоса), возможна закупорка канализационных магистралей. К таким посторонним предметам в потоке нечистот относятся, например, гигиенические средства по типу прокладок и памперсов, бинты, отдельные небольшие предметы одежды и обихода. Перенос твердых предметов возможен, если их размеры не превышают размеров сливного отверстия унитаза.
Группа изобретений направлена на обеспечение совместного транспортирования гетерогенных сред - объемных и длинномерных изделий из текстильных и подобных материалов в потоке жидких хозяйственно-фекальных нечистот без заиливания сливных магистралей, преимущественно для мобильных туалетов, используемых при атмосферном давлении.
Способ транспортирования канализационных стоков, содержащих гетерогенные компоненты, состоит в использовании установленного в транспортирующей магистрали инжекционного насоса, имеющего аксиально размещенные и образующие канал транспортирования входной и выходной в форме сопла Лаваля патрубки, в зазор между которыми подается инжектирующий воздушный поток.
Патентуемый способ характеризуется тем, что инжектирующий воздушный поток дополнительно подвергают закручиванию вокруг продольной оси насоса под углом к поверхности конфузорной части сопла Лаваля выходного патрубка с возможностью уменьшения сечения гетерогенных компонентов в канализационных стоках в направлении транспортирования и их локализации по оси насоса в поле закручивающих сил.
Способ может характеризоваться тем, что закручивание инжектирующего воздушного потока производят на угол 45-60° к оси насоса.
2
1
2
1
Способ может характеризоваться и тем, что отношение внутренних диаметров выходного d и входного d патрубков инжекционного насоса составляет d/d=1,0-1,5.
Устройство транспортирования канализационных стоков, содержащих гетерогенные компоненты, включает установленные по направлению транспортирования выпускной клапан, инжекционный насос с аксиально размещенными входным и выходным по форме сопла Лаваля патрубками, в зазоре между которыми размещено средство для создания инжектирующего воздушного потока, подключенное к ресиверу через электромагнитный клапан, и связанные с блоком управления датчик давления на входе инжекционного насоса и кнопка управления.
Патентуемое устройство отличается тем, что средство для создания инжектирующего воздушного потока дополнительно содержит завихритель упомянутого потока в плоскости, перпендикулярной оси инжекционного насоса. Насос выполнен в виде коаксиально размещенных камеры давления с патрубком ввода сжатого воздуха и входного патрубка с соплом, установленным на открытом конце камеры давления с образованием кольцевой сопловой камеры между конфузорной частью сопла Лаваля выходного патрубка и упомянутым соплом входного патрубка. Завихритель представляет собой установленную на входном патрубке и расположенную в камере давления втулку, на внешней поверхности которой выполнены сквозные спиральные каналы, сообщающие упомянутую камеру давления с сопловой камерой.
Устройство может характеризоваться тем, что блок управления выполнен с возможностью при нажатии кнопки управления и наличии заданного давления в ресивере, последовательного открытия электромагнитного клапана для сообщения инжекционного насоса с ресивером, затем по сигналу с датчика давления о достижении разрежения на входе инжекционного насоса открытия выпускного клапана путем сообщения с атмосферой и одновременного перекрытия магистрали его питания от ресивера.
Устройство может характеризоваться и тем, что выпускной клапан представляет собой пневматически управляемый шланговый затвор проходного типа, подключенный к ресиверу и атмосфере через двухпозиционный трехлинейный распределитель.
2
1
2
1
Устройство может характеризоваться также тем, что на внешней поверхности втулки выполнены сквозные спиральные каналы под углом 45-60° к оси симметрии втулки, а, кроме того, тем, что отношение внутренних диаметров выходного d и входного d патрубков инжекционного насоса составляет d/d=1,0-1,5.
Технический результат - самоочистка сливной магистрали и препятствование засорам от нерегламентируемых предметов из текстильных и подобных материалов (гигиенические средства, отдельные предметы одежды и обихода преимущественно из волокнистых и/или текстильных материалов), размеры которых в спутанном и насыщенном фекалиями и нечистотами состоянии превышают живое сечение/диаметр трубы входного патрубка насоса, а также увеличение силы всасывания.
В основе группы изобретений лежат следующие установленные в результате экспериментов данные при использовании инжекционных насосов при перекачке нечистот. Для канализационных труб сечением 40-60 мм с перекачкой инжекционным насосом проблемными являются предметы, размер которых в спутанном и насыщенном влагой состоянии превышает живое сечение/диаметр трубы. Так, если длинномерный предмет, например бинт, имеющий в расправленном состоянии небольшое сечение, может быть увлечен потоком нечистот и вместе с ним по сливной магистрали транспортирован в сборный бак, то для мотка бинта, пропитанного нечистотами, такая возможность является проблемной, поскольку в зависимости от размера он, по существу, будет являться пробкой для системы. Нами впервые показана возможность транспортирования объемных и длинномерных изделий из текстильных и подобных материалов в канализационном потоке без заиливания трубопроводов. Это достигается особенностями построения тракта и конструктивного выполнения инжекционного насоса, обеспечивающего не только создание большего удельного на величину давления сжатого воздуха транспортирующего вакуума в камере смешения, но и закручивание потока нечистот. В результате, кроме получения большего импульса всасывания при прохождении через камеру смешения изделие скручивается, влага из него выжимается, соответственно живое сечение его уменьшается, и вместе с потоком нечистот оно без затруднений доставляется в сборный бак. Следует отметить, что при прохождении предмета в поле закручивающих сил предмет ориентируется по оси насоса, центрируется, и это снижает трение о стенки и способствует его успешной доставке в сборный бак. Кроме того, принудительное закручивание среды в совокупности с большей энергией всасывания дополнительно способствует самоочистке канализационных труб, т.е. препятствует потере работоспособности туалетной системы в целом. Так, если по каким-либо причинам выходная магистраль, соединяющая насос с баком, будет заперта, то при подаче воздуха в насос в трубе будет создан напор с величиной давления сжатого воздуха, имеющегося в ресивере. Клапан не откроется, пока сливная магистраль не будет свободна, т.е. цикл продувки трубопровода с ее самочисткой будет производиться автоматически.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 показана блок-схема устройства;
на фиг.2 - конструкция инжекционного насоса;
на фиг.3 - конструкция завихрителя.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства.
Унитаз 1 с водяным затвором (не показан) по трубопроводу 2 через выпускной клапан 3 соединен с инжекционным насосом 4, выход которого по трубопроводу 5 открыт в сборный бак 6, находящийся под атмосферным давлением и сообщающийся с атмосферой через фильтр 7. Магистраль 8 подвода сжатого воздуха через электромагнитный клапан 9 присоединена к ресиверу 10. Датчик 11 давления в ресивере 10, датчик 12 давления в трубопроводе на входе насоса 4, а также приводы электромагнитных клапанов 3 и 9 подключены к блоку 13 управления, связанному с кнопкой 14 управления «пуск». Датчик 11 давления обеспечивает открытие клапана 9 по команде от кнопки 14 только при условии, что давление в ресивере 10 достигает заданной величины, например, 8 атм.
2
1
2
1
На фиг.2 представлена конструкция инжекционного насоса 40. Входной 41 и выходной 42 патрубки установлены аксиально по оси 43 в корпусе 44. Между внешней поверхностью патрубка 41 и внутренней поверхностью корпуса 44 установлен завихритель 45. В пространстве между внутренней поверхностью корпуса 44, патрубком 41 и завихрителем 45 образована камера 46 давления, в которую через штуцер 47 от магистрали 8 подается сжатый воздух для создания инжектирующего воздушного потока. Выходной патрубок 42 насоса 4 имеет профилированное сечение в форме сопла Лаваля: конфузорную 421 и диффузорную 422 части. В пространстве между оконечностью патрубка 41 - соплом 411 и конфузорной частью 421 образована камера 48 смешения, в которой происходит взаимодействие транспортируемой среды с вращающимся сверхзвуковым потоком от завихрителя 45. Зазор h в осевом направлении между соплом 411 и стенкой конфузорной части 421 составляет h=0,2-10 мм, подбираемый в зависимости от рабочего давления сжатого воздуха, подаваемого через штуцер 47 от ресивера 10. Отношение внутренних диаметров выходного d (на оконечности диффузорной части) и входного d патрубков инжекционного насоса составляет d/d=1,0-1,5.
На фиг.3 показан вид внешней поверхности завихрителя 45. Он выполнен в форме втулки 451, на внешней поверхности которой образованы спиралевидные сквозные каналы 452. Каналы 452 могут иметь как одинаковое сечение по длине единичного витка 453 спирали завихрителя от входа 454 от выхода 455, так и различное сечение. При этом чем больше отношение внешнего диаметра втулки 451 завихрителя к ее внутреннему диаметру (совпадающему с наружным диаметром патрубка 41), тем эффективность выше. Стрелкой 456 условно показано направление потока воздуха, сформированного одним из каналов 452, лежащим в плоскости наблюдения под углом α к оси втулки 451. Угол α может находиться в диапазоне от 15 до 60°, преимущественно 45-60°. Сечение на входе канала целесообразно выполнять меньшим, чем на выходе, что дополнительно повышает эффективность работы насоса.
Выпускной клапан 3 может быть выполнен в виде пневматического пережимного выпускного клапана (управляемого шлангового затвора проходного типа), принцип действия которого состоит в перекрытии проходного сечения при раздувании установленной в корпусе 301 оболочки 302, конструкция которых известна. Для этой цели ресивер 10 соединен по магистрали 15 с оболочкой 302 через трехходовый клапан 16 (двухпозиционный трехлинейный распределитель). В эксплуатационных условиях клапан 3 нормально закрыт, т.е. ресивер 10 соединен с оболочкой. Для открытия выпускного клапана 3 трехходовой кран 16 перекрывает магистраль 15, и соединяет оболочку 302 клапана 3 с атмосферой патрубком 17.
Патентуемый способ транспортирования канализационных стоков посредством инжекционного насоса с закручиванием потока удобно раскрыть на примере функционирования устройства.
При нажатии кнопки 14 блок 13 управления проверяет по сигналу с датчика 11 наличие заданного давления в ресивере 10. Если давление соответствует заданному, то блок 15 открывает электромагнитный клапан 9, в результате чего активируется насос 4. Через интервал времени (около 0,5 сек), необходимый для обеспечения вакуума в трубопроводе 21, который контролируется датчиком 12, блок 13 перекрывает магистраль 15 клапаном 16, сообщая полость 302 клапана 3 с атмосферой через патрубок 17. Вследствие этого канализационные стоки из унитаза 1 засасываются через входной патрубок 41 образующимся вращающимся воздушным потоком в камеру 48 смешения, через выходной патрубок 42 выбрасываются по трубопроводу 5 в бак 6.
Если в потоке гетерогенных фекальных стоков случайно оказываются элементы, отличные по структуре от обычных фекалий: гигиенические средства, отдельные предметы одежды и обихода преимущественно из волокнистых и/или текстильных материалов, минимальные линейные размеры которых превышают сечение входного патрубка, то происходит их скручивание. Соответственно живое сечение элемента или их совокупности уменьшается, и вместе с потоком нечистот оно без затруднений доставляется в сборный бак.
Следует также отметить, что, как показали эксперименты, при прохождении предмета в поле закручивающих сил предмет ориентируется по оси насоса 4, и это способствует использованию его в качестве механического и/или гидродинамического прочищающего средства при заиливании туалетной системы в целом. Так, если по каким-либо причинам выходная магистраль, соединяющая инжекционный насос 4 с баком 6, будет заперта (т.е. засорена), то при подаче воздуха в насос 4 в трубопроводе 5 будет создан напор со значением давления сжатого воздуха, имеющегося в ресивере 10. Клапан не откроется, пока трубопровод 5 не будет свободен, т.е. цикл продувки трубы с ее самоочисткой будет производиться автоматически.