энергосберегающий водовоздушный подъемник (эрлифт)

Формула изобретения

Ротационный водоподъемник, включающий в себя водяное колесо, лопасти, вал, воздушный колпак, водоподъемную трубу, отличающийся тем, что вал соединен с компрессором через редуктор, водоподъемная труба с фильтром и форсункой расположена в донном колодце, устроенном в дне русла открытого потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к применению водной энергии открытых потоков для осуществления работы водовоздушных подъемников и может быть использовано для сельскохозяйственного водоснабжения, орошения и пожаротушения.

Известны водовоздушные подъемники (эрлифты), применяемые в водоснабжении для подъема вод из глубоких скважин (Д.С.Циклаури. "Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки". Изд. лит-ры по стр-ву. М., 1970, с. 152-154, рис. 11.39, 11.40).

Эрлифт включает в себя электродвигатель, компрессор, ресивер, водовоздушную и воздушную трубы, форсунку, сборный резервуар и отражатель. Действие эрлифтов основано на физическом законе равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах. Силой от плотностной неоднородности жидкостей водовоздушная смесь поднимается на водовоздушной трубе на поверхность, за счет водоотражателя воздух отделяется от воды и она собирается в сборном резервуаре.

Недостатком таких водоподъемников является низкий КПД. Применение их для подъема водоисточников нерационально, так как связано с дальнейшим уменьшением КПД установки. Уровень потока открытых русел несопоставим с динамическим уровнем воды в скважинах. При наличии электрической энергии для подачи воды из открытых водоисточников применяются не эрлифты, а насосные станции с динамическими и объемными насосами. Эрлифт не является энергосберегающим водоподъемником.

Известен энергосберегающий ротационный водоподъемник, являющийся прототипом данного технического решения (приводимый выше источник информации, с. 155-157, рис. 11.41). Водоподъемник содержит каркас цилиндрической формы, жестко соединенный с валом. На каркасе навита спиральная труба с несколькими витками. Один конец трубы (открытый) представляет собой оголовок, через который осуществляется водозабор из реки или канала. Второй конец трубы помещен в сальник и соединяется колпаком. На валу водоподъемника насажено водяное колесо, которое при помощи лопаток и набегающего потока приводит спиральную трубу во вращательное движение. Водовоздушная труба работает как эрлифт.

Недостатком таких водоподъемников является низкая подача и напор, как следствие низкий КПД. Водовоздушная труба непосредственно не связана с открытым потоком. Ограниченное количество воды подается от спиральной трубы через сальник, колпак и форсунку. Воздух подается в спиральную трубу вместе с водой и далее направляется также в колпак. Степень сжатия воздуха несопоставима со сжатием воздуха при работе компрессора.

Задача изобретения - повышение КПД энергосберегающего водовоздушного подъемника (эрлифта).

Поставленная задача достигается тем, что для повышения КПД энергосберегающего водоподъемника (эрлифта) в дне русла изготовлен колодец, в котором размещена водовоздушная труба для забора воды и подъема водовоздушной смеси с форсункой и фильтром, а действие спиральной трубы и колпака заменено известными конструкциями компрессора, приводимого в действие через редуктор от вала водяного колеса и ресивером. Для повышения кинематической энергии потока воды перед водяным колесом использован обтекатель.

Изобретение поясняется схемой фиг. 1, 2. На фиг 1 показан боковой вид водовоздушного подъемника; на фиг. 2 - то же, вид в плане.

Водовоздушный подъемник включает в себя водяное колесо 1, лопатки 2, вал 3, редуктор 4, компрессор 5, ресивер 6, кран 7, гибкий шланг 8, форсунку 9, водовоздушную трубу 10, фильтр 11, колодец 12, приемную емкость с трубопроводом 13, резервуар 14, пoнтон 15, груз (якорь) 16, трап 17, опору 18, обтекатель 19, фиксатор 20, тормозной шкив 21. На фиг. 1 приведены индексы: H - глубина погружения форсунки от уровня излива водовоздушной смеси; h - высота от уровня воды в открытом потоке до уровня излива водовоздушной смеси.

Энергосберегающий водовоздушный подъемник (эрлифт) работает следующим образом. Водяное колесо 1 с лопастями 2 и валом 3 смонтированы на понтонах 15. Здесь же установлены редуктор 4, компрессор 5, ресивер 6. Понтон 15 расположен на поверхности движущегося потока воды и фиксируется грузами 16. Под действием кинетической энергии потока на лопатки 2 вал 3 приходит во вращение, которое через редуктор 4 передается компрессору 5. Сжатый воздух подается в ресивер 6, где происходит отделение паров масел, образующихся при работе компрессора. Открыванием крана 7 сжатый воздух по гибкому шлангу 8 передается к форсунке 9, представляющей собой наконечник с отверстиями (не показан). За счет форсунки 9 сжатый воздух в виде пузырьков равномерно смешивается с водой в водовоздушной трубе 10.

Нижний конец водовоздушной трубы 10 оборудован фильтром и размещен в колодце 12. Вода в водовоздушную трубу 10 подается из окружающей среды потока, предварительно очищаясь от мелких механических примесей в фильтре 11. Пузырьки воздуха, образовавшиеся в форсунке 9, перемешиваясь с водой, образуют водовоздушную смесь, плотность которой ниже, чем плотность воды, окружающей водовоздушную трубу 10. Имеют место сообщающиеся сосуды. С одной стороны "сосуд" с высотой столба воды от уровня воды в потоке до фильтра 11, с другой стороны - уровень водовоздушной смеси от форсунки 9 до уровня изливания смеси из водовоздушной трубы 10. На основании известного закона равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах воздушные пузырьки, перемещаясь вверх, способствуют подъему воды и изливанию ее в приемную емкость с трубопроводом 13, где происходит разделение воды и воздуха. После этого вода самотеком поступает в резервуар 14 для последующего использования в хозяйственных целях.

Приемная емкость с трубопроводом 13 удерживается опорой 18. Для перемещения обслуживающего персонала устроен трап 17.

Из приводимого выше источника информации известно, что эффективная работа водовоздушного подъемника (эрлифта) связана с глубиной погружения форсунки 9 и характеризуется коэффициентом погружения форсунки, определяемого по формуле

K = H/h,

где H - глубина погружения форсунки 9 от уровня излива водовоздушной смеси (см. фиг. 1); h - высота от уровня воды в открытом потоке до уровня излива водовоздушной смеси (см. фиг 1).

Необходимая глубина погружения форсунки H устанавливается опытным путем в зависимости от КПД эрлифта _эрл который связан с коэффициентом погружения форсунки "K". При малых значениях "K" требуется увеличенный расход воздуха и снижается _эрл. Решающим фактором выбора варианта является КПД водоподъемника. При изменении K=1,5-3 КПД изменяется от 0,3 до 0,59 (Н.М.Герсеванов "Теория движения воздуха и воды в применении к эрлифтам". Изв. АН СССР, отд. техн.наук, N 10, 1942 г. Я.С.Суреньянц, "Эрлифты" Стройиздат, 1940).

Таким образом, устройство колодца 12 с размещением в нем форсунки 9 позволяет увеличить высоту "H" при постоянном значении высоты "h", что приводит к увеличению "K" (см. вышеприведенную формулу) и как следствие - к увеличению КПД водовоздушного подъемника _эрл.

Запуск в работу и остановка вала 3 осуществляется при помощи тормозного шкива 21, установленного на валу 3, и тормозных колодок с ручным приводом (на фиг. 2, 1 не показаны). Для исключения разбрызгивания воды лопастями 2 они прикрыты кожухом (на фиг. 1, 2 не показано).

Для повышения кинетической энергии набегающего потока предусмотрено применение известных обтекателей 19, установленных перед водяным колесом 1 с лопастями 2 при помощи фиксаторов (грузов) 20.

Верхняя кромка колодца 12 расположена выше дна потока, что исключает условия его заиливания донными насосами.

Преимуществом данного технического решения перед известными эрлифтами с подъемом подземных вод через скважину являeтся энергосберегающий привод компрессора.

Преимуществом по сравнению с прототипом является повышение КПД предлагаемого технического решения за счет увеличения коэффициента погружения форсунки.

Отсутствие кольца в дне потока делает применение водовоздушной трубы с забором воды через ее нижнюю часть (фильтр) нецелесообразным. Гидростатическое давление окружающего потока у основания трубы при небольшой его глубине оказывается меньшим по сравнению с необходимым давлением воздуха, подаваемого из компрессора. Происходит выброс воздуха через фильтр, снижается подача и КПД водоподъемника. Выравнивание (уменьшение) давления воздуха и гидростатического давления приводит к ухудшению смесеобразования в водовоздушной трубе, не обеспечивается преодоление потерь напора в гибком шланге и водовоздушной трубе. Эти и другие аспекты работы эрлифта описаны в приводимых выше литературных источниках.

Энергосберегающему водовоздушному подъемнику (эрлифту) присуща простота конструкции, легкость изготовления (при наличии компрессора), бесперебойная работа в течение продолжительного времени (при отсутствии ледяного покрова); может быть изготовлен в условиях мастерских коллективных, фермерских и др. с.-х. предприятий.