Устройство для аэрации, его применение и водоочистительная установка с таким устройством для аэрации - RU2609494C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к аэратору.

В частности изобретение относится к аэратору, который обеспечивает введение воздуха в воду через систему распределения воздуха, расположенную под водой.

Указанный аэратор применяют, прежде всего, для аэрации сточных вод, чтобы повысить эффективность процессов разложения примесей, а также для аэрации других масс воды, например для аэрации водоемов рыбоводческого хозяйства или плавательных бассейнов.

Обычно сточные воды в резервуарах аэрируют компрессором, который посредством сети трубопроводов с клапанами снабжает воздухом одну или более систем распределения воздуха, оснащенных диффузорами, расположенными на дне резервуара или вблизи дна.

Указанные диффузоры выполнены так, чтобы создавались очень маленькие воздушные пузырьки, вследствие чего указанные устройства обеспечивают достаточно высокую эффективность аэрации.

Эффективность аэрации также называют «стандартная эффективность аэрации» (SAE). Стандартная эффективность аэрации представляет собой соотношение между количеством кислорода, введенного в воду, и количеством энергии, затраченной на введение указанного кислорода в воду.

Недостатком такого аэратора является шум, создаваемый компрессором, и необходимость охлаждения компрессора. Следовательно, возникает необходимость в соответствующих устройствах.

Поскольку в разных местах резервуара требуется разная аэрация воды, должна быть сконструирована и обслуживаться обширная сеть трубопроводов, содержащая множество соединений, ответвлений и клапанов, и, соответственно, с большим падением давления, кроме того, во избежание неэффективного использования оборудования, аэрация должна проводиться только тогда, когда в этом есть необходимость.

Недостатком также является трудоемкость обслуживания и/или очистки систем распределения воздуха, необходимой для предотвращения засорения системы, поскольку для проведения указанных работ требуется опорожнение резервуара.

Кроме того, перемешивание воды в резервуаре, как правило, является недостаточным для оптимальной работы, следовательно, чтобы обеспечить должное перемешивание воды требуется применение дополнительных средств.

Также недостаток указанных аэраторов состоит в том, что они являются дорогостоящими и трудно перемещаемыми, то есть не являются маневренными, например, в ситуациях, когда использование стационарного оборудования требует больших затрат или оборудование необходимо использовать только время от времени.

Некоторые из указанных недостатков устраняются при использовании обычно применяемых систем, в которых насос установлен под водой и откачивает сточные воды через сужение на стороне нагнетания, таким образом, возникает разряжение, благодаря которому воздух засасывается снаружи через впускную трубу, отходящую от сужения и выступающую над поверхностью воды. Затем втянутый снаружи воздух вместе с откачиваемой водой нагнетается от сужения на стороне нагнетания вглубь резервуара, таким образом, осуществляется аэрация воды в резервуаре.

Однако указанные установки, с одной стороны, обеспечивают очень низкую стандартную эффективность аэрации, поскольку они должны откачать большое количество воды при относительно небольшом количестве воздуха, а, с другой стороны, указанные установки формируют воздушные пузырьки относительно большого размера.

В патентном документе ЕР 0163821 описано устройство, которое полностью может быть погружено в резервуар. Указанное устройство содержит компрессор, который расположен ниже уровня поверхности воды. Понятно, что указанное устройство является тяжеловесным и объемным, в связи с чем, затрудняется обращение с ним или его перемещение.

Из патентного документа GB 1268426 известно устройство для аэрации жидкости, содержащее воздуходувное устройство, которое опирается на дно водоема и приводится в действие электродвигателем, снабженным шарикоподшипниками. Проблема указанного устройства состоит в том, что существует необходимость его извлечения из резервуара на поверхность для обслуживания подшипников, а также существует необходимость в оснащении устройства системой жидкой смазки, которая утяжеляет устройство при подъеме.

Задачей изобретения является устранение по меньшей мере одного из вышеупомянутых и/или других недостатков посредством создания аэратора для аэрации воды, который содержит систему распределения для распределения воздуха ниже уровня поверхности воды и компрессор с воздуховпускным отверстием и по меньшей мере с одним воздуховыпускным отверстием, причем компрессор выполнен с возможностью размещения ниже уровня поверхности воды посредством того, что компрессор снабжен корпусом, предотвращающим проникновение воды в компрессор, для предотвращения проникновения воды в воздуховпускное отверстие впускная труба имеет открытый конец, предназначенный для расположения над поверхностью воды, и другой открытый конец, герметично соединенный с компрессором таким образом, что посредством впускной трубы через воздуховпускное отверстие из атмосферы может засасываться воздух, для предотвращения проникновения воды в воздуховыпускное отверстие система распределения воздуха герметично соединена с воздуховыпускным отверстием, а вода может сдерживаться в силу свойств этого герметичного соединения или посредством по меньшей мере одного клапана, и корпус выполнен с возможностью теплового контакта с водой для охлаждения компрессора, при этом компрессор является центробежным компрессором, содержащим крыльчатку, приводимую в движение валом, установленным на воздушных подшипниках, магнитных подшипниках или на тех и других подшипниках.

Преимущество аэратора согласно изобретению заключается в том, что он может быть расположен под водой и способен с высокой эффективностью подавать воздух в воду без использования обширной сети трубопроводов с клапанами и соединениями, обеспечивая при этом высокую стандартную эффективность аэрации.

Кроме того, преимуществом является то, что вода заглушает шум, создаваемый указанным аэратором, и одновременно охлаждает компрессор, вследствие чего отсутствует необходимость в системе охлаждения или вентиляторах.

Указанный аэратор находится вне зоны видимости, следовательно, не портит пейзаж.

При использовании нескольких аэраторов любой аэратор можно включить или выключить, если в этом есть необходимость, чтобы в каждое место резервуара было направлено требуемое количество воздуха.

Другие существенные преимущества аэратора согласно изобретению состоят в том, что он практически не требует обслуживания, например, в связи с использованием в его конструкции магнитных и/или воздушных подшипников, а также в том, что он не нуждается в оснащении системой жидкой смазки, следовательно, аэратор может быть выполнен легким и простым в обращении.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения система распределения воздуха содержит по меньшей мере один диффузор.

Таким образом, может быть достигнута высокая стандартная эффективность аэрации при минимальных энергетических потерях или вовсе при их отсутствии в процессе распределения сжатого воздуха посредством одного диффузора, выпускающего маленькие пузырьки воздуха с хорошо организованным переносом кислорода.

Предпочтительно, система распределения воздуха содержит по меньшей мере два распределительных рукава, отведенных от компрессора, причем каждый распределительный рукав снабжен по меньшей мере двумя диффузорами, и, предпочтительно, распределительный рукав также содержит боковое ответвление, снабженное по меньшей мере одним диффузором.

Таким образом, на относительно большой площади может быть обеспечено хорошее распределение воздуха.

Вал компрессора предпочтительно имеет полость, проходящую по длине вала, а компрессор снабжен воздушным каналом, проходящим через полость от стороны нагнетания к стороне впуска.

Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что охлаждающий воздушный поток или воздух может проходить через полость к и/или от воздушных подшипников.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления компрессор и система распределения воздуха выполнены с возможностью установки так, что могут поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Преимуществом является то, что может быть эффективно аэрирована большая часть резервуара, а система распределения воздуха одновременно может выполнять функцию устройства для перемешивания воды в резервуаре.

Противоположно направленный крутящий момент вращающегося вала обеспечивает поворотное движение компрессора и системы распределения воздуха. Предпочтительно, для приложения дополнительной силы, обеспечивающей поворотное движение, система распределения воздуха снабжена соплом, выполненным с возможностью направления воздуха так, чтобы по меньшей мере одна компонента была перпендикулярна радиальному направлению.

Таким образом, отсутствует необходимость в оснащении аэратора каким-либо отдельным приводом для обеспечения поворотного движения.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения воздуховпускное отверстие и/или воздуховыпускное отверстие компрессора расположены под электродвигателем и/или крыльчаткой.

Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что в случае утечки в системе или нарушения соединений компрессор, находящийся в закрытом корпусе, будет окружен воздушным пузырем, который сдерживает воду.

Как результат, обеспечивается простая и надежная защита компрессора от воды, способной причинить повреждения.

В соответствии другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения соединения между компрессором и впускной трубой и между воздуховыпускным отверстием и системой распределения воздуха являются разъемными, причем клапан во впускной трубе и в системе распределения воздуха предотвращает проникновение воды.

Следовательно, если используются тяжеловесные аэраторы, компрессор может быть отсоединен от остальной части аэратора и поднят из воды на поверхность для обслуживания, ремонта и/или замены.

В соответствии другим предпочтительным вариантом изобретения на верхней части аэратора закреплена рукоятка для полного извлечения аэратора из воды.

Таким образом, аэратор, включающий систему распределения воздуха, может быть легко извлечен из резервуара для обслуживания или очистки без необходимости опорожнения резервуара.

Аэратор по конструкции может быть небольшим и недорогим, легко приводимым в рабочее состояние и легко очищаемым, при этом может быть установлен под водой и способен подавать воздух в воду с высокой эффективностью.

Изобретение также относится к водоочистительной установке, содержащей по меньшей мере один резервуар для воды, подлежащей аэрации, причем элементом водоочистительной установки является аэратор, описанный выше.

Изобретение, кроме того, относится к применению описанного выше аэратора для введения воздуха в сточные воды, подлежащие очистке.

Для облегчения понимания сущности настоящего изобретения далее приведено описание аэратора на примере нескольких предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 схематично показан аэратор в соответствии с изобретением в рабочем состоянии, вид сбоку;

на фиг. 2 - часть аэратора, показанного на фиг. 1 ссылочным обозначением F2, вид в поперечном разрезе;

на фиг. 3 - часть аэратора в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 4 и 5 схематично приведена часть аэратора в соответствии с другими двумя вариантами осуществления изобретения, вид сбоку.

Аэратор 1, показанный на фиг. 1 и 2 по существу состоит из показанного на фиг. 2 компрессора 2, соединенного с впускной трубой 3, и системы 4 распределения воздуха.

Впускная труба 3 снабжена крышкой 5 для защиты от дождевой воды, контактным кольцом 6, обеспечивающим электрическое соединение, и рукояткой, выполненной в данном случае в виде подъемной проушины 7.

Внешний кабель 8 подвода электроэнергии соединен с контактным кольцом, а второй кабель 9 идет от контактного кольца к блоку 10 управления, который соединен с компрессором 2.

Система распределения воздуха содержит два распределительных рукава, соединенных с компрессором 2 в радиальном направлении, причем каждый распределительный рукав содержит четыре диффузора 12. Распределительные рукава подвешены посредством несущего троса 13 и проходят от впускной трубы 3, не соприкасаясь с дном резервуара, в котором размещен аэратор.

Аэратор 1 установлен на поворотной платформе 14, обеспечивающей поворот аэратора 1 вокруг оси А-А'. Поворотная платформа 14 может представлять собой платформу, которая крепится ко дну или на дне резервуара с возможностью свободного вращения, а также может являться принудительно приводимой в движение поворотной платформой.

Как показано на фиг. 2, компрессор представляет собой центробежный компрессор 2, который опирается на поворотную платформу 14. Компрессор 2 содержит электродвигатель 15, ротор 16 которого составляет единое целое с полым центральным валом 17, при этом статор 18 установлен в корпусе 19 электродвигателя. Корпус 19 электродвигателя снабжен ребрами 20 охлаждения.

Компрессор также содержит центробежную крыльчатку 21, установленную на валу 17 и окруженную улиткой 22, в которой выполнены воздуховыпускные отверстия 23.

Между ротором 16 и корпусом 19 в нескольких местах обеспечены воздушные подшипники 24. В соответствии с изобретением количество воздушных подшипников 24 может быть выбрано произвольно, причем, в соответствии с вариантом, не показанным на чертежах, вал 17 может быть установлен на подшипниках, при этом один или более воздушных подшипников комбинируют с одним или более магнитными подшипниками. Следует отметить, что аэратор в соответствии с вариантом, в котором вал 17 установлен на одном или более магнитных подшипниках, находится в рамках объема изобретения.

В дне корпуса 19, а также вблизи соединения впускной трубы 3 с компрессором 2 обеспечены конденсатоотводы 25.

Корпус 19 электродвигателя совместно с улиткой 22 образует корпус компрессора, который предотвращает проникновение воды в компрессор.

К блоку 10 управления подсоединен кислородный датчик 26.

Принцип действия аэратора 1 очень прост и будет понятен из дальнейшего описания.

Посредством подъемного устройства аэратор поднимают за подъемную проушину 7 и устанавливают в требуемое положение на поворотной платформе 14 в резервуаре с водой, которая подлежит аэрации.

Электроэнергию подают к кабелю 8 и, следовательно, через контактное кольцо 6 ко второму кабелю 9.

Кислородный датчик измеряет уровень кислорода в воде. Если содержание кислорода в воде ниже порогового значения, блок 10 управления запускает электродвигатель 15, в результате чего ротор 16, вал 17 и крыльчатка 21 начинают вращаться.

Из атмосферы через впускную трубу 3 засасывается воздух, который под давлением, созданным в результате действия крыльчатки 21 и улитки 22, направляется от воздуховыпускного отверстия 23 к распределительным рукавам 11 и, соответственно, к диффузорам 12, испускающим указанный воздух в виде маленьких пузырьков 27, способных переносить кислород в воде. Траектория перемещения воздуха показана на фиг. 2 стрелками Р.

Часть сжатого воздуха на выходной стороне крыльчатки 21 также проходит к воздушным подшипникам 24 по траектории, показанной на фиг. 2 стрелками Q, и от воздушных подшипников 24 через полый вал 17 снова поступает к впускной трубе 3. Поскольку воздушные подшипники 24 снабжаются сжатым воздухом, они поддерживают вращающиеся детали 16, 17, 21 компрессора 2.

Как только измеренная кислородным датчиком 26 концентрация кислорода превысит пороговое значение, электродвигатель 15 компрессора отключится по команде блока 10 управления.

Поскольку через диффузоры 12 может подаваться только воздух, но не подается вода, во время остановки компрессора 2 вода не может проникнуть в компрессор 2 через систему 4 распределения воздуха.

Если в системе 4 распределения воздуха имеются элементы, позволяющие воде проникнуть в систему 4 распределения воздуха при остановке компрессора 2, могут быть предусмотрены соответствующие клапаны, например, невозвратные клапаны, предотвращающие проникновение воды, способной повредить компрессор 2.

Тепло, вырабатываемое электродвигателем 15 во время работы, отводится от корпуса 19 электродвигателя в воду посредством ребер 20 охлаждения, в результате чего электродвигатель 15 охлаждается.

Водяной пар, присутствующий в воздухе, может конденсироваться в аэраторе 1 в процессе его эксплуатации. Образовавшийся конденсат может быть удален через конденсатоотводы 25.

Поворотное движение всего аэратора 1, независимо от внешнего усилия для этого, возможно благодаря поворотной платформе 14 и контактному кольцу, которое способно поддерживать электрическое соединение между источником энергии, закрепленным на берме, и поворотным электродвигателем.

Кабель 8, второй кабель 9 и контактное кольцо 6 могут также быть использованы для передачи управляющих сигналов в блок 10 управления.

Кислородный датчик 26 не является обязательным, однако при отсутствии указанного кислородного датчика 26 можно только включать или выключать аэратор 1, поскольку он не может саморегулироваться в зависимости от содержания кислорода в воде, или работу аэратора 1 можно корректировать на основании внешнего управляющего сигнала.

Если требуется обслуживание или очистка аэратора 1, он может быть легко извлечен из воды целиком, то есть с системой распределения воздуха, посредством подъемной проушины.

Если в одном резервуаре размещено несколько аэраторов 1, то благодаря локальному автоматическому контролю содержания кислорода при необходимости вводится в действие только определенный аэратор 1, таким образом исключается излишняя аэрация и, соответственно, нерациональное потребление энергии.

Аэратор, 1 показанный на фиг. 3, отличается от аэратора 1, описанного выше, тем, что содержит восемь воздуховыпускных отверстий 23 и распределительных рукавов 11, причем каждый распределительный рукав 11 снабжен тремя боковыми ответвлениями 28, каждое из которых оснащено диффузорами 12, таким образом, каждый распределительный рукав 11, включая его боковые ответвления 28, содержит десять диффузоров 12.

Одно из боковых ответвлений 28 каждого распределительного рукава 11 снабжено соплом 29, которое работает в определенном направлении, то есть в направлении, в котором оно испускает воздух при работе, при этом имеется по меньшей мере одна компонента, которая перпендикулярна радиальному направлению, если смотреть от компрессора 2.

Аэратор 1 в соответствии с указанным вариантом отличается от аэратора в соответствии с описанным выше вариантом тем, что при его использовании аэрируется больший объем воды. Кроме того, при использовании аэратора 1 в соответствии с указанным вариантом часть воздуха, направляемого компрессором в систему 4 распределения воздуха, выпускается из сопла 29. В результате к системе распределения воздуха сила прикладывается в противоположном направлении, которая заставляет весь аэратор, за исключением подъемной проушины 7, кабеля 8 и части контактного кольца 6, поворачиваться на поворотной платформе.

Такое поворотное движение также обеспечивает перемешивание воды вокруг аэратора 1.

На фиг. 4 показана часть аэратора 1 в соответствии с вариантом, приведенном на фиг. 3, при этом компрессорный узел аэратора показан частично и показан только один распределительный рукав 11, а другие распределительные рукава 11 не показаны для ясности.

Компрессор, имеющий воздуховпускное отверстие и воздуховыпускное отверстие 23, в соответствии с указанным вариантом по существу отличается от описанных ранее тем, что установлен ниже, поэтому воздуховпускное отверстие и воздуховыпускное отверстие 23 расположены ниже крыльчатки 21 и электродвигателя 15.

Для осуществления указанного варианта впускная труба 3 должна иметь изгиб 30.

Принцип работы аэратора в соответствии с указанным вариантом аналогичен принципу работы аэратора, описанного выше.

Преимущество в соответствии с указанным вариантом заключается в том, что в случае утечки воздушный пузырь, присутствующий в корпусе компрессора, защищает компрессор 2 от повреждений под воздействием воды.

На фиг. 4, 5 схематично показан аэратор 1 в соответствии альтернативными вариантами осуществления изобретения.

Аэратор 1 в соответствии с данными вариантами не является поворотным, следовательно, отсутствует необходимость в контактном кольце 6. Компрессор 2 является съемным, поскольку содержит съемные устройства 31 отключения, позволяющие отсоединить компрессор от впускной трубы 3 и системы 4 распределения воздуха, причем клапаны в съемных устройствах 31 отключения предотвращают проникновение воды во впускную трубу 3 и систему 4 распределения воздуха.

Посредством подъемного устройства компрессор 2 может быть извлечен из водного резервуара и перемещен по направляющему рельсу 32 для проверки, обслуживания и т.д. и затем снова установлен на место.

Изобретение не ограничивается вариантами, раскрытыми в качестве примера, и проиллюстрированными чертежами, при этом может быть предложен аэратор в соответствии с другими вариантами осуществления, не выходящими за объем изобретения.

Реферат

Изобретение относится к аэратору для аэрации воды. Аэратор содержит систему (4) распределения для распределения воздуха ниже уровня поверхности воды и компрессор (2) с воздуховпускным отверстием и по меньшей мере с одним воздуховыпускным отверстием (23), Компрессор (2) выполнен с возможностью размещения ниже уровня поверхности воды посредством того, что компрессор (2) снабжен корпусом, предотвращающим проникновение воды в компрессор (2). Для предотвращения проникновения воды в воздуховпускное отверстие впускная труба (3) имеет открытый конец, предназначенный для расположения над поверхностью воды, и другой открытый конец, герметично соединенный с компрессором (2). Для предотвращения проникновения воды в воздуховыпускное отверстие (23) система (4) распределения воздуха герметично соединена с воздуховыпускным отверстием (23), вода может сдерживаться в силу свойств этого герметичного соединения или посредством по меньшей мере одного клапана. Корпус выполнен с возможностью теплового контакта с водой для охлаждения компрессора (2), причем компрессор (2) является центробежным компрессором, содержащим крыльчатку (21), приводимую в движение валом (17), установленным на воздушных подшипниках (24), магнитных подшипниках или на тех и других подшипниках. Технический результат – высокая эффективность аэрации при минимальных энергетических потерях. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула