устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника

Формула изобретения

Устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника, включающее отводящие вертикальный и горизонтальный каналы, задвижку и водобойный колодец, причем для регулирования глубины забора воды отводящий вертикальный канал закрыт внешним цилиндром, образующим дополнительный отводящий внешний канал, перемещаемый по высоте, верхний конец которого находится над уровнем воды в отстойнике и через отверстие сообщается с атмосферой, отличающееся тем, что устройство имеет винтовой привод для перемещения внешнего цилиндра по высоте, на нижней кромке которого закреплена реборда, ликвидирующая декомпрессионную воронку при перетоке воды в отводящий внешний канал, а отверстие для сообщения с атмосферой защищено от загрязнения и замерзания, при этом конструктивные геометрические параметры устройства, отводящих вертикального и внешнего каналов рассчитываются по следующим зависимостям с учетом притока воды в отстойник (Q, м³/с), регулируемой глубины погружения внешнего цилиндра в отстойник (Н_р, м):

где r₁ - радиус отводящего вертикального канала, м;

0,4 - коэффициент с размерностью (с/м)^1/2, такая же размерность коэффициентов в формулах, приведенных ниже;

где r₂ - внутренний радиус внешнего канала, м;

где r₃ - внешний радиус внешнего канала, м;

где b - ширина реборды, м;

где Н - высота минимального погружения внешнего цилиндра в отстойник, м;

где h₁ - глубина затопления верхнего конца вертикального отводящего канала, м;

где h₂ - допустимая минимальная незатопленная высота внешнего канала, м;

а высота внешнего канала Н_вн определяется по формуле

H_вн=H+h₂+H _p,

при нецилиндрических формах каналов их размеры должны соответствовать гидравлическим радиусам, равным гидравлическим радиусам цилиндрических форм каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидравлическим устройством и может быть использовано для сброса воды из отстойников, водоемов и водосборников.

Эффективность использования отстойников для очистки воды зависит от глубины забора воды из него для сброса во внешние водоемы, что объясняется расслоением воды по температурным градиентам и разделением загрязнения по компонентам с разной плотностью. Забор воды с поверхности отстойников позволяет сбрасывать загрязнения с плотностью ниже плотности воды (нефтепродукты, плавающие предметы, лед и др. взвешенные частицы), а при заборе воды у дна водоема образуются подводные течения, которые увлекают на сброс осевший шлам.

Анализ существующих способов и средств сброса воды свидетельствует о необходимости разработки устройств для экологически чистого сброса воды во внешние водоемы, который можно решить путем забора воды из промежуточного слоя по глубине отстойника, отвечающей требованиям экологической безопасности.

Известен трубчатый водосброс [1], включающий воронку, горизонтально расположенную трубу, задвижку и водобойный колодец.

Недостатками трубчатого водоспуска является забор воды у поверхности, где могут находиться масленые пятна и вещества с плотностью ниже плотности воды, или у дна водоема, где образуется депрессионная воронка, засасывающая шлам со дна отстойника.

Известен шахтный водосброс [2], включающий водосливную воронку, вертикальную шахту, отводящий туннель, водобойный колодец.

Недостатками являются сброс воды верхнего уровня, образование депрессионной воронки, отсутствие регулирования объема сброса воды.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из гидротехнических сооружений [3], включающее отводящие вертикальный и горизонтальный каналы, причем для регулирования глубины забора воды отводящий вертикальный канал закрыт образующим дополнительный отводящий внешний канал и перемещающимся по высоте внешним цилиндром, верхний конец которого находится над уровнем воды в отстойнике, закрыт и сообщается с атмосферой через отверстие.

Недостатками устройства являются незащищенность от депрессионной воронки, захватывающей поверхностный слой воды отстойника, отсутствие плавного винтового привода для регулирования сброса воды.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экологической безопасности внешних водоемов за счет сброса потока из экологически чистых слоев воды в отстойнике по неразмываемым каналам.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника, включающее отводящий вертикальный и горизонтальный каналы, задвижку и водобойный колодец, причем для регулирования глубины забора воды отводящий вертикальный канал закрыт внешним цилиндром, образующим дополнительный отводящий внешний канал, перемещаемый по высоте, верхний конец которого находится над уровнем воды в отстойнике и через отверстие сообщается с атмосферой, отличающееся тем, что устройство имеет винтовой привод для перемещения внешнего цилиндра по высоте, на нижней кромке которого закреплена реборда, ликвидирующая депрессионную воронку при перетоке воды в отводящий внешний канал, а отверстие для сообщения с атмосферой защищено от загрязнения и замерзания, при этом конструктивные геометрические устройства отводящих вертикального и внешних каналов рассчитываются по следующим зависимостям с учетом притока воды в отстойник (Q, м³/c), регулируемой глубины погружения внешнего цилиндра в отстойник (Н_р, м)

где r₁ - радиус отводящего вертикального канала, м;

0,4 - коэффициент с размерностью (с/м)^1/2, такая же размерность коэффициентов в формулах, приведенных ниже

где r₂ - внутренний радиус внешнего канала, м;

где r₃ - внешний радиус внешнего канала, м;

где b - ширина реборды, м;

где Н - высота минимального погружения внешнего цилиндра в отстойник, м;

где h₁ - глубина затопления верхнего конца вертикального отводящего канала, м;

где h₂ - допустимая минимальная незатопленная высота внешнего канала, м;

а высота внешнего канала Н_вн определяется по формуле

Н_вн=H+h₂+H _p,

при нецилиндрических формах каналов их размеры должны соответствовать гидравлическим радиусам, равным гидравлическим радиусам цилиндрических форм каналов.

Работа устройства поясняется чертежом.

На чертеже представлен общий вид устройства, включающего плотину 1, дно отстойника 2, верхний уровень воды в отстойнике 3, отводящий вертикальный канал 4, отводящий горизонтальный канал 5, задвижка 6, водобойный колодец 7, внешний цилиндр 8, винтовой привод 9, реборда 10, слой воды отстойника, идущий на сброс 11, крышка с отверстием для сообщения внешнего отводящего канала с атмосферой 12, внешний отводящий канал 13.

Обозначения параметров устройства:

Q - приток воды в отстойник, м/с;

Н_р - регулируемая глубина погружения внешнего цилиндра в отстойник, м;

h₁ - глубина затопления верхнего конца вертикального отводящего канала, м;

h₂ - допустимая минимальная незатопляемая высота внешнего канала, м;

Н _вк - высота внешнего канала, м;

r ₁ - радиус отводящего вертикального канала, м;

r ₂ - внутренний радиус внешнего канала, м;

r ₃ - внешний радиус внешнего канала, м;

b - ширина реборды, м;

v₁ - скорость потока в отводящем вертикальном канале, м/с;

v ₂ - скорость потока в отводящем внешнем канале, м/с;

v₃ - скорость потока в средних слоях воды отстойника, м/с;

Устройство работает следующим образом.

При подъеме уровня воды 3 в водоеме вода по внешнему отводящему каналу 13 поднимается, вытесняет воздух через отверстие и переливом уходит в вертикальный отводящий канал 4. Крышка внешнего отводящего канала 12 не позволяет производить подсос воздуха в больших объемах, что обеспечивает равномерный сброс воды по отводящему каналу 4. Глубина забора воды регулируется путем перемещения внешнего канала 13, закрепленного подвижно, относительно внутреннего канала 4. Если забор воды будет проводиться близко от поверхности, то реборда 10 не позволяется развиваться депрессионной воронке и засасывать поверхностные слои воды, в которых аккумулируются загрязнения.

Сброс потока из более чистых слоев воды водоемов 11, расположенных в глубине водоема, позволяет повысить уровень экологической безопасности внешних водоемов.

Устройство работает при условии, что температура воды может меняться от 0 до 30°С и ее динамической вязкости от 1790 до 800 мкПа·с, т.е практически в 2,24, а с учетом 5% отклонений в 2,36 раза.

Сброс воды осуществляется перетоком воды по внешнему отводящему каналу и далее по отводящим вертикальному и горизонтальному каналам, через открытую задвижку в водобойный колодец, который защищает воду от загрязнения частицами размываемых грунтов и пород.

Сброс воды равен притоку воды в отстойник. Переток обеспечивается за счет разности давлений верхнего уровня воды отстойника и верхнего конца вертикального отводящего канала р, т.е

p=h₁ g,

где - плотность воды, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Потенциальная энергия затрачивается на преодоление сопротивления движению воды во внешнем отводящем канале

где - коэффициент сопротивления трения гидравлического канала.

Внешний отводящий канал имеет форму окружности.

Отношение радиальных размеров внешнего отводящего канала принимается таким, чтобы поправочный коэффициент сопротивления канала при турбулентном течении оставался постоянным и равным во всем диапазоне допустимых геометрических отклонений

Это выполняется при r₁/r ₂=0,4/0,9, т.е

(Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975, - с.76-77, график а).

Учитывая рабочий диапазон температур, величина регулирования определяется из соотношения

Откуда следует, что величина Н_р =1,36 (H-h₁).

Величину H принимаем как предпочтительную из условий слоевой чистоты воды а величину h₁ из условий обеспечения энергии перетока в сообщающихся сосудах

В итоге величина регулирования равна

Величина h₂ - допустимая минимальная незатопляемая высота внешнего канала - выбирается из условия сопротивления поворотного канала колена с коэффициентом местного сопротивления, равного 1,11, то есть

h₁ +h₂=1,11r₂.

Так как h₁ определено для обеспечения энергии перетока, r₂ определено как внутренний радиус канала, то

Величину внешнего радиуса внешнего канала определяем из условия защиты входа во внешний канал от депрессионной воронки

Ширина реборды определяется из условия

При выбранных соотношениях геометрических размеров скорость течения во внешнем отводящем канале v ₂ в четыре раза меньше скорости в отводящем вертикальном канале v₁ на его входе.

Например, при Q=360 м³/ч = 0,1 м³ /с имеем r₁=0,125 м, r₂ =0,280 м, r₃=0,426 м, v ₁=2 м/с, v₂=0,5 м/с, b=0,142 м.

Пятипроцентное отклонение линейных величин параметров устройства не создают, как показано в первом случае, отрицательного воздействия на устойчивую работу устройства.

При расширении диапазона рабочих температур воды соответственно расширяется диапазон регулирования.

При выполнении каналов нецилиндрической формы их размеры должны соответствовать гидравлическим радиусам, равным гидравлическим радиусам цилиндрических форм каналов.

Сброс воды только из средних слоев отстойников, исключающий поверхностный слой, загрязненной маслами, позволяет повысить уровень экологической безопасности внешних водоемов.

Источники информации

1. Кириенко В.И., Химерик Ю.А. Гидротехнические сооружения. - К.: Высш. шк., 1987. - С.120-122.

2. Мойс П.П. Шахтные водосбросы. - М.: Энергия, 1970. - С.26-27.

3. Авт. свид. СССР №1784711. Устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из гидротехнических сооружений. МПК Е02В 7/18. Опубл. 30.12.1992. - 3 с.