CZ20031944A3 - Zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin, tj. zařízení pro čištění a úpravu vod v oblasti ochrany životního prostředí, okysličování stojatých vod v nádržích, rybnících a přehradách, a rovněž rozpouštění plynů v kapalinách.

Dosavadní stav techniky

Současná zařízení používají na provzdušňování kapalin způsob vyplývající z jejich mechanického nebo pneumatického principu.

Mechanická zařízení zabezpečují provzdušňování kapalin pomocí proudění kapaliny diagonálním nebo radiálním kolem. Známa jsou zařízení zabezpečující provzdušňování kapalin diagonálním kolem, které je částečně ponořené do kapaliny a které při rotaci dopravuje kapalinu uzavřeným diagonálním kanálem nad hladinu kapaliny, kde ji rozstřikuje a tím promíchává se vzduchem.

Nevýhodou způsobu činnosti takových zařízení je přítomnost mlhoviny a aerosolí, které vznikají při rozstřiku kapaliny ve vzduchu, což u chemických látek anebo u znečištěné kapaliny způsobuje hygienickou závadnost v jejich okolí. Taktéž se takováto zařízení vyznačují častou poruchovostí a nízkou vytěžitelností kyslíku ze vzduchu.

Další mechanická zařízení zabezpečují provzdušňování kapalin radiálním kolem, které je ponořené na dně nádrže v kapalině a které při rotaci dopravuje kapalinu v radiálním směru. Dopravovaná kapalina přitom vytváří ve statoru zařízení • · • · ·

-2nasávací účinek, kterým se přivádí vzduch přes vzduchová potrubí vyústěné nad hladinou kapaliny, následně se vzduch smíchává s kapalinou a potom vytlačuje kanály nainstalovanými na tělese statoru zařízení do kapaliny.

r

Nevýhodou těchto zařízení je nutnost jejich instalace na dně nádrže s kapalinou z důvodu zabezpečení účinného míchání kapaliny. Toto má za následek velké energetické nároky na zajištění nasávání vzduchu a vznik tzv. proudových komínů vytvořených vytékáním směsi kapaliny a vzduchu radiálními kanály pevně uchycenými na jejich statoru.

Jiná mechanická zařízení zajišťují provzdušňování kapalin prostřednictvím ejektoru, do něhož je radiálním čerpadlem dopravována kapalina vytvářející svým prouděním v ejektoru podtlak, který zajišťuje nasávání vzduchu vzduchovým potrubím vyvedeným nad hladinu kapaliny.

Nevýhodou způsobu činnosti těchto zařízení je požadovaná vyšší rychlost proudění kapaliny v ejektoru zajišťující nasávání vzduchu a jejich malá účinnost v důsledku vzniku ztrát u proudící kapaliny v ejektoru a z důvodu vytvoření tzv. proudových komínů vytvořených vytékáním směsi kapaliny a vzduchu z ejektoru.

Známé je mechanické zařízení podle užitného vzoru CZ 10103 a CZ PV 19882787, kde se provzdušňování provádí vrtulovým čerpadlem , jehož oběžné kolo je upevněné k dolní části svislého dutého hřídele. V dutém hřídeli jsou přitom vytvořeny v horní části otvory s mřížkou pro nucený přívod vzduchu nebo plynu a v dolní části u lopatek oběžného kola spirálového tvaru tloušťku zvětšující se tangenciálně směrem k výtokové hraně, kde se rotací lopatek opatřených další mřížkou rozptyluje ve formě bublin do kapaliny, které pak unikají kjejí hladině. Oběžné kolo je přitom osazeno v souose osazeném svislém oboustranně průběžném trubkovém difuzoru, přičemž podle směru rotace je umožněno měnit směr průtoku kapaliny v trubkovém difuzoru. Při vypnutém přívodu vzduchu nebo plynu přitom zařízení pracuje v trubkovém difuzoru jako běžný průtokový směšovač kapaliny a při zapnutí tlakového vzduchu nebo plynu jako její provzdušňovač.

• ··· ·· ···· • · · · • · · β

-3Nevýhodou tohoto řešení je jak vysoká cena tlakového vzduchu tak rozvodu stlačeného vzduchu, nutnost použití výkonného motoru, zajišťujícího přečerpávání velkého objemu kapaliny v úzkém trubkovém otvoru difuzoru jak pří míchání tak i při provzdušňování kapaliny, a překonání odporů brodění ponořené části zařízení.

Také je známé řešení podle patentu US 5,980,100 a WO 97/11772, kde je motor namontovaný ve vodotěsné komoře, která plní funkci plováku a zároveň usměrňovače proudění kapaliny, přičemž motor pohání oběžné kolo ponořené kolmo nebo šikmo do kapaliny. Zařízení přitom může být vybavené přívodem stlačeného vzduchu vyústěného k oběžnému kolu a současně může být oběžné kolo umístěné mezi šikmo se rozšiřujícími deskami, upevněnými na vodotěsné komoře, případně i ve vodících deskách vyústěných nad hladinou. Vodotěsná komora může být vybavena lopatkami a plnit funkci velkého oběžného kola. Při vypnutém přívodu stlačeného plynu plní zařízení funkci běžného míchadla kapaliny proudící směrem k jejímu dnu a při zapnutém přívodu stlačeného vzduchu funkci provzdušňování kapaliny proudící stejným směrem.

Nevýhodou tohoto řešení je vysoká cena rozvodu stlačeného vzduchu, překonávání velkého odporu kapaliny vznikajícího během rotace lopatek oběžného kola v kapalině mezi rozšiřujícími se deskami vodotěsné komory, neumožnění jemného rozptylu vzduchu při provzdušňování kapaliny, konstrukční složitost, nákladnost a vysoká energetická náročnost během provozu. Jiná varianta tohoto řešení rozstřikuje míchanou nebo provzdušňovanou kapalinu rozstřikem nad její hladinu, čímž vzniká mlhovina a aerosoli, což u chemických látek anebo u znečištěné kapaliny hygienickou závadnost v jejich okolí.

Známé je také zařízení podle patentu US 5,085,809, sestávající z ponorného elektromotoru umístěného na dně nádrže a z vysokootáčkového čerpadla s nasáváním kapaliny z úzkého vertikálního trubkovitého tělesa od hladiny šikmo k jejímu dnu, přičemž před oběžným kolem čerpadla je samovolně vířivými proudy kapaliny anebo tlakem vzduchu přiváděn přívodem vzduch.

• · · · • * ·· ···· • · · · • · · « · ·

-4Upevnění zařízení na dně nádrže a použití úzkého trubkovitého tělesa čerpadla v tomto řešení umožňuje jen intenzivní provzdušňování kapaliny s malou výškou kolísání hladiny při vysokorychlostním přečerpávání kapaliny malého průtokového objemu kapaliny a vysoké energetické náročnosti, neboť přečerpávaná kapalina smíchaná se vzduchem má zbytečně zvětšený objem při zmenšené účinnosti čerpání čerpadlem. Toto řešení je navíc svým technickým provedením konstrukčně složité a má nepřenosný charakter s malou univerzálností využití.

Známé je rovněž zařízení pro směšování plynu s kapalinou podle patentu US 5,925,290, kde v uzavřené nádrži kapaliny je na otočném hřídeli vnějšího elektromotoru ve vertikální trubce upevněno oběžné kolo čerpadla, přičemž před anebo za oběžným kolem čerpadla je samovolně vířivými proudy kapaliny anebo tlakem plynu přiváděn přívodem plyn, který se ve štěrbinové lamelové konstrukci zařízení smíchává s kapalinou. Zařízení při směšování kapaliny s plynem nasává vertikálně v úzkém trubkovitém tělese od hladiny ke dnu nádrže kapalinu už smíchanou s plynem, která zespodu trubkovitého tělesa volně uniká a rozptyluje se směrem k hladině.

Takovéto řešení je svým technickým provedením určeno jen pro uzavřené nádrže s intenzivním provzdušňováním kapaliny při stabilně určené výšce hladiny a malém objemu kapaliny. Velkou konstrukční nevýhodou zařízení je jeho konstrukční složitost, nepřenosné provedení s malou univerzálností využití a nevhodnost jeho používání v případech většího kolísání výšky hladiny kapaliny ode dna nádrže. Navíc v případě směšování plynu s kapalinou před oběžným kolem čerpadla v úzkém trubkovitém tělese zařízení vyžaduje vysokou energetickou náročnost na vysokorychlostní čerpání kapaliny už smíchané se vzduchem, tj. o zbytečně zvětšeném objemu kapaliny při malé účinnosti čerpání čerpadla. V alternativním případě smíchávání plynu s kapalinou v trubkovitém až za oběžným kolem čerpadla neřeší zařízení po technické stránce rovnoměrně jemné rozptylování plynu v celém objemu přečerpávané kapaliny a takto nedokonale rozptýlený plyn z přečerpávané kapaliny ve velkých bublinách rychle neefektivně uniká k hladině kapaliny. Z tohoto důvodu je

-5pro zajištění potřebného stupně rozptýlení plynu v kapalině nutné i v tomto případě podstatně zvýšit rychlost čerpání kapaliny při vysoké energetické náročnosti zařízení.

Rovněž je známo řešení dle patentu US 5,454,986, které sestává z promíchávací nádrže s poloprstencovitým dnem, umístěným hlouběji než dno středu této nádrže. Nad vyvýšeným středem dna nádrže je umístěno oběžné kolo, které je spojené s hřídelí a motorem. Motor je umístěný nad hladinou. K oběžnému kolu je přiveden tlakový vzduch, který je unášen proudem kapaliny směrem k poloprstencovitému dnu. Proud kapaliny vytváří oběžné kolo provzdušňované kapaliny.

Nevýhodou řešení je, že vyžaduje nádrž s náročnou a nákladnou konstrukcí a skutečnost, že toto řešení je určeno pro malé objemy nádrží.

Pneumatická zařízení, zajišťující provzdušňování kapalin, převážně sestávají ze zdroje tlakového vzduchu, nejčastěji dmychadla, provzdušňovacích membrán, zajišťujících rozdělení tlakového vzduchu na malé bublinky, a dopravních rozvodů tlakového vzduchu od zdroje tlakového vzduchu k provzdušňovacím membránám.

Nevýhodou způsobu činnosti pneumatickým zařízení pro provzdušňování kapalin je, že vyžadují použití hlučných zdrojů tlakového vzduchu s drahým stavebním objektem, vybudování složitých dopravních potrubních rozvodů tlakového vzduchu a vyprázdnění nádrže při instalaci provzdušňovacích membrán. Technická složitost těchto zařízení způsobuje častou poruchovost provzdušňovacích membrán z důvodů ucpávání malých otvorů rozdělujících dopravovaný vzduch na malé bubliny, respektive zajišťujících neustálé přerušování proudu vzduchu během jejich provozu. Z těchto důvodů uvedená zařízení vyžadují vysoké investiční náklady.

Společnou nevýhodou výše uvedených zařízení pracujících na tomto principu je, že nejsou použitelné na míchání kapaliny bez směšování se vzduchem a proto při potřebě střídání míchání kapaliny bez vzduchu a se vzduchem je nutné použít dvě jednoúčelová zařízení se samostatnými komorami pro kapalinu, které jsou vzájemně

-6propojené potrubím s vhodnými armaturami, čímž jsou technicky složité a ekonomicky nákladné.

Známé je rovněž zařízení na provzdušňování a/nebo míchání kapalin podle užitného vzoru SK 2841 (PUV 0143-2000), kde způsob provzdušňování a/nebo míchání kapalin přímo vyplývá z jeho činnosti. Zařízení má elektromotor instalovaný nad hladinou kapaliny, který otáčí oběžným kolem s axiálními lopatkami dopravujícím kapalinu vertikálním směrem ode dna nádrže přes nasávací hrdlo, rozváděči lopatky a dopravní kanál do směšovacího kola, ve kterém kapalina svým dynamickým účinkem vytváří podtlak v nasávací štěrbině, čímž je vzduch nasáván sacím potrubím a smícháván s kapalinou. Vzniklá směs kapaliny a bublinek vzduchu je přitom dopravována přes usměrňovači lopatky horizontálním směrem do nádrže, přičemž zakřivení usměrňujících lopatek udává směšovacímu kolu rotaci. Zařízení je nainstalováno na nosném plováku, který plave na hladině kapaliny a udržuje zařízení v konstantní hloubce pod hladinou kapaliny v rozsahu od 0,1 metru do 5,0 metru.

Nevýhodou způsobu činnosti tohoto zařízení je, že elektromotor je umístěný nad hladinou, což zvětšuje konstrukční rozměry celého zařízení, jeho váhu a požadavky na osazení jeho otočných částí. Další podstatnou nevýhodou je použití kombinace vertikálního proudění kapaliny a její přesměrování do horizontálního směru, což zvětšuje hydraulické ztráty při tomto způsobu provzdušňování a/nebo míchání kapalin, neboť horizontální směr výtoku směsi kapaliny a bublinek vzduchu výrazně snižuje využití dynamické energie směsi kapaliny a bublinek vzduchu.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin podle vynálezu sestávající z ponorného elektromotoru a plováku spojeného v kapalině přes nosné těleso s hřídelem, na kterém je umístěné oběžné kolo s lopatkami, přičemž v nosném tělese zařízení je umístěný i vertikálně

N

-7• ·· · · ···· · · ···· ··· ·· · ·· · ···· · · · · · · ··· ··· ···· ····· ·· · · · · · protékaný vnější plášť s rozváděcími lopatkami a alespoň jedno nasávací potrubí vzduchu s alespoň jednou směšovací komorou kapaliny a vzduchu. Podstatou zařízení je, že na hladině provzdušňované nebo míchané kapaliny je nosný plovák spojený se zdola otevřeným zvonovitým tělesem, ve kterém jď pod hladinou kapaliny osazeno nosné těleso zařízení a ponorný elektromotor spojený s hřídelem oběžného kola s axiálními lopatkami. Nosné těleso zařízení přitom propojuje prostor za rozváděcími lopatkami vnějšího pláště, a to přes dýzu, s otvorem nasávacího potrubí vzduchu a otvorem směšovací komory kapaliny a vzduchu.

Je přitom výhodné, když osa směšovací komory kapaliny a vzduchu svírá od vertikální osy ponorného elektromotoru 0 až 60 úhlových stupňů a/nebo, když je dýza zařízení umístěná pod hladinou provzdušňované a/nebo míchané kapaliny v hloubce 0,1 až 5 metru.

Taktéž je výhodné, když plocha průřezu mezi kolem s axiálními lopatkami a rozváděcími lopatkami vnějšího pláště tvoří 0,5 až 1,5 násobek plochy průřezu směšovacích komor kapaliny a vzduchu.

Největší výhodou zařízení pro vertikální provzdušňováni a/nebo míchání kapalin podle vynálezu je, že malou rychlostí a velkým průtokovým množstvím kapaliny je zajištěno lepší využití energie elektromotoru, která je kapalině odevzdána oběžným kolem s axiálními lopatkami, čímž je zajištěno nasávání požadovaného množství vzduchu.

Další výhodou tohoto vynálezu je, že zvyšování výkonu těchto zařízení je přímo závislé zejména na hmotnostním průtoku kapaliny, k čemuž potřebuje oběžné kolo s axiálními lopatkami minimální energii. Taktéž je výhodou vertikálního provzdušňováni a/nebo míchání kapalin podle tohoto vynálezu, že proud směsi vzduchu a kapaliny, vytékající z jeho směšovacích komor, je v kapalině usměrněný v rozsahu 0 až 60 úhlových stupňů od vertikálního proudění kapaliny v nádrži s kapalinou, což umožňuje větší využití dynamické energie směsi kapaliny a vzduchu i postupné rozrušování směsi kapaliny a vzduchu při minimalizaci tvorby tzv.

-8·· ·· ···· ·· ···· • · · · · · · ··· · · · · · t ·· · ··· · · · · ····· ·· · · · ·· proudových komínů. Tím se dosahuje až trojnásobný přestup do provzdušňované kapaliny vzhledem k současnému stavu techniky. Velkou konstrukční výhodou zařízení je i jeho konstrukční jednoduchost, přenosné uspořádání s velkou univerzálností využití a vhodností jeho používání i mimo nádrže, a to nezávisle na výšce hladiny kapaliny.

Přehled obrázků na výkrese

Na připojeném obrázku je schématicky znázorněný vertikální řez příkladným provedením zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin podle vynálezu, umístěným v nádrži s kapalinou.

Příklady provedení vynálezu

Zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin podle vynálezu, zobrazené na obr.1, sestává z plováku 8, ponorného elektromotoru 1, oběžného kola 2 s axiálními lopatkami, vnějšího pláště 3 s rozváděcími lopatkami, dvojice nasávacích potrubí 6 vzduchu, dvojice směšovacích komor 5 vzduchu s kapalinou, zvonovitého tělesa 7 a nosného tělesa 9, přičemž zobrazené zařízení je umístěno v nádrži 10.

Na hladině provzdušňované a/nebo míchané kapaliny je v nádrži 10 umístěný nosný plovák 8 spojený zezdola otevřeným zvonovitým tělesem 7, ve kterém je osazené nosné těleso 9 zařízení. V nosném tělese 9 zařízení je přitom osazený ponorný elektromotor 1, na jehož otočném hřídeli je umístěno oběžné kolo 2 s axiálními lopatkami. Současně je v nosném tělese 9 zařízení umístěný i vertikálně průtočný vnější plášť 3 s rozváděcími lopatkami, dvojice nasávacích potrubí6 vzduchu a dvojice směšovacích komor 5 kapaliny a vzduchu tak, že nosné těleso 9

-9zařízení propojuje prostor za rozváděcími lopatkami 3, a to přes dýzu 4, s otvorem nasávacího potrubí 6 vzduchu a s otvorem směšovací komory 5 kapaliny a vzduchu. Osa směšovací komory 5 kapaliny a vzduchu svírá přitom s vertikální osou ponorného elektromotoru 1 úhel 0 až 60 stupňů.

Zařízení pro provzdušňování a/nebo míchání kapalin podle vynálezu, znázorněné na obr. 1, je umístěno na hladině kapaliny v nádrži 10 na nosném plováku 8 tak, aby mělo dýzu 4, umístěnou v nosném tělese 9 zařízení, pod hladinou provzdušňované a/nebo míchané kapaliny v hloubce 0,1 až 5 metru. Po uvedení ponorného elektromotoru 1 do činnosti se hnacím hřídelem roztočí oběžné kolo 2 s axiálními lopatkami, které okamžitě dopravuje uvnitř zdola otevřeného zvonovitého tělesa 7 kapalinu vertikálním směrem vzhledem k ose ponorného elektromotoru 1 přes vertikálně protékaný vnější plášť 3 s rozváděcími lopatkami do nosného tělesa 9 zařízení k dýze 4. Za dýzou 4 se dynamickým účinkem proudu kapaliny vytváří podtlak, který od určitých běžně známých hydraulických podmínek samovolně nasává vzduch nasávacím potrubím 6 z ovzduší, který je následně smíchávaný s kapalinou ve směšovacích komorách 5 kapaliny a vzduchu. Dále tato směs vzduchu a kapaliny proudí pod 0 až 60 úhlovými stupni otvorem ve směšovacích komorách 5 do kapaliny v nádrži 10, kde se postupně v kapalině rozptyluje a vzduch z ní průběžně uniká do ovzduší. Po poklesu otáček ponorného elektromotoru 1 ták, aby podtlak za dýzou 4, vytvořený dynamickým účinkem kapaliny, nevytvářel dostatečné podmínky pro samovolné nasávání vzduchu nasávacím potrubím 6 vzduchu z ovzduší, tj. při snížení otáček od 99 do 15 % pracovního režimu při provzdušňování kapalin anebo při opačných otáčkách ponorného elektromotoru 1, které jsou vhodné pro provzdušňování kapalin, plní vertikální zařízení podle vynálezu pouze funkci míchání kapaliny bez přítomnosti vzduchu. Takovým ovládáním otáček ponorného elektromotoru i plní vertikální zařízení podle vynálezu funkci provzdušňování a/nebo v případě potřeby míchání kapaliny bez přístupu vzduchu v jedné nádrži.

Popsané a zobrazené zařízení není přitom jediným možným uskutečněním způsobu pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin podle vynálezu,

I • 9 99 99

9 Φ • Φ Φ

-10protože jiné provedení zařízení může mít jedno anebo více jak dvě nasávací potrubí vzduchu, případně jednu anebo více jako dvě směšovací komory vzduchu s kapalinou, jejichž osa může svírat s vertikální osou ponorného elektromotoru libovolný úhel v rozsahu 0 až 60 úhlových stupňů, přičemž počet nasávacích potrubí vzduchu může být rozdílný od počtu směšovacích komor a jednotlivé směšovací komory mohou mít od vertikální osy ponorného elektromotoru odlišné úhly. Dále mohou směšovací komory během provozu zařízení rotovat okolo osy ponorného elektromotoru. Taktéž směšování vzduchu s kapalinou může být nucené přes neznázorněné ovládací armatury. Nosný plovák může být spojený se zdola otevřeným zvonovitým tělesem přes nasávací potrubí vzduchu a osazení nosného tělesa ve zvonovitém nosném tělese zařízení může být uskutečněné i jiným alternativně známým způsobem. Výhodně přitom může být plocha průřezu mezi oběžným kolem s axiálními lopatkami a rozváděcími lopatkami shodná s plochou průřezu směšovacích komor kapaliny a vzduchu anebo v libovolném rozsahu 0,5 až 1,5 násobku plochy průřezu směšovacích komor kapaliny a vzduchu. Taktéž zařízení podle vynálezu mohou pracovat jako stabilní nebo přenosné i ve velkých nádržích jako např. v rybnících, přehradách apod., případně na říčních tocích.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin je možno využívat tam, kde je potřeba kapalinu provzdušňovat, a tím obohacovat kyslíkem, a/nebo promíchávat, například při čištění povrchových, podzemních a odpadních vod, při úpravě vod apod., zejména v zemědělství, potravinářském, chemickém a jiném průmyslu.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro vertikální provzdušňování a/nebo míchání kapalin sestávající z ponorného elektromotoru a plováku spojeného v kapalině přes nosné těleso s hřídelem, na kterém je umístěné oběžné kolo s lopatkami, přičemž v nosném tělese zařízení je umístěný i vertikálně protékaný vnější plášť s rozváděcími lopatkami a alespoň jedno nasávací potrubí vzduchu s alespoň jednou směšovací komorou kapaliny a vzduchu, vyznačující se tím, že na hladině provzdušňované nebo míchané kapaliny je nosný plovák (8) spojený se zdola otevřeným zvonovitým tělesem (7), ve kterém je pod hladinou kapaliny osazeno nosné těleso (9) zařízení a ponorný elektromotor (1) spojený s hřídelem oběžného kola (2) s axiálními lopatkami, přičemž nosné těleso (9) zařízení propojuje prostor za rozváděcími lopatkami vnějšího pláště (3), a to přes dýzu (4), s otvorem nasávacího potrubí (6) vzduchu a otvorem směšovací komory (5) kapaliny a vzduchu.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že osa směšovací komory (5) kapaliny a vzduchu svírá od vertikální osy ponorného elektromotoru 0 až 60 úhlových stupňů.

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dýza (4) zařízení je umístěná pod hladinou provzdušňované a/nebo míchané kapaliny v hloubce 0,1 až 5 metru.

4. Zařízení podle nároku 1, nebo 2 nebo 3, vyznačující se tím, že plocha průřezu mezi oběžným kolem (2) s axiálními lopatkami a rozváděcími lopatkami vnějšího pláště (3) tvoří 0,5 až 1,5 násobek plochy průřezu směšovacích komor (5) kapaliny a vzduchu.