FI64125C

FI64125C - VATTENOXIDATIONSANORDNING FOER VATTENDRAG

Info

Publication number: FI64125C
Application number: FI810159A
Authority: FI
Inventors: Aarre Sinkkilae
Original assignee: Aarre Sinkkilae
Priority date: 1981-01-21
Filing date: 1981-01-21
Publication date: 1983-10-10
Also published as: FI810159L; FI64125B

Description

6412564125

Vedenhapetuslaite vesistöjä varten. - Vattenoxidations-anordning för vattendrag.Water oxidizer for water bodies. - Vattenoxidations-anordning för vattendrag.

Keksinnön kohteena on vedenhapetuslaite vesistöjä varten, jossa pystysuuntaisen pohjavesiputken yläpäässä olevaan astiaan on sijoitettu pyöritettävä linkoroottori, jonka veden-ottoelimet ovat veden pinnan alapuolella ja jonka vedenlin-koamiselimet ovat veden pinnan yläpuolella.The invention relates to a water oxidation device for water bodies, in which a rotatable centrifugal rotor is arranged in a vessel at the upper end of a vertical groundwater pipe, the water intake members of which are below the water surface and the water dispensing members of which are above the water surface.

Fl-patenttijulkaisussa 35966 on esitetty laite, jossa pohjavesiputken yläpäähän on sijoitettu vedenjohtoputki, jonka alapäässä on potkuri veden pumppaamiseksi putken yläpäässä pyöritettävään linkoroottoriin. Linkoroottori on kokonaisuudessaan veden pinnan yläpuolella, jolloin mainitun potkurin pyöritysenergiaa tarvitaan veden nostamiseksi linkoroottoriin.F1 patent publication 35966 discloses a device in which a water supply pipe is arranged at the upper end of a groundwater pipe, the lower end of which has a propeller for pumping water to a rotor rotor at the upper end of the pipe. The centrifugal rotor is entirely above the surface of the water, whereby the rotational energy of said propeller is needed to lift the water into the centrifugal rotor.

Tämän lisäksi tarvitaan energiaa kehänopeuden antamiseksi linkoroottorissa ulkokehälle virtaavalle vedelle ennen sen purkautumista linkoroottorin kehäraosta. Tällä periaatteella toimiva vedenhapetuslaite vaatii hapetustehokkuuteen nähden niin suuria käyttöenergiamääriä, ettei laitteen käyttö ole osoittautunut taloudellisesti kannattavaksi, mistä syystä tällaisia vedenhapetuslaitteita ei toistaiseksi käytetä ainakaan mainittavassa määrin esim. järvivesien hapettamiseen.In addition, energy is required to impart a circumferential velocity in the centrifuge rotor to the water flowing to the outer circumference before it discharges from the circumferential slot of the centrifugal rotor. A water oxidation device operating on this principle requires such large amounts of operating energy in relation to the oxidation efficiency that the use of the device has not proved to be economically viable, which is why such water oxidation devices are not currently used at least to a significant extent, e.g.

AT-patenttijulkaisussa 281706 on esitetty vedenhapetuslaite, jossa linkoroottorin ulkokehällä on osittain vedenpinnan alapuolelle ulottuvat, roottorin aksiaalisuunnassa nähtynä tan-gentiaaliset putket, jotka toimivat sekä vedenottoeliminä että suihkutussuuttimina. Tällöin vesi saadaan suihkutetuksi ilman, että sille annetaan linkoroottorin kehänopeutta, jolloin energian kulutusta saadaan pienennetyksi. Kuitenkin suihkutettu vesi, huolimatta törmäyslevyn käytöstä, palaa suhteellisen nopeasti ja yhtenäisenä vesimassana takaisin vesistöön, toisin sanoen suihkutetun vesimassan hapetusaika on lyhyt ja hapetukselle alttiina oleva pinta-ala on pieni. Jos tätä yritettäisiin korjata esim. pienentämällä suihkutusputkia tai asentamalla niihin pienireikäisiä suuttimia, olisi seurauksena 64125 2 olennainen virtausvastuksen kasvaminen ja tehon hukkakulutus.AT-A-281706 discloses a water oxidation device in which the outer circumference of a centrifugal rotor has tangential tubes extending partially below the water surface, seen in the axial direction of the rotor, which act as both water intake members and spray nozzles. In this case, the water can be sprayed without being given the circumferential speed of the centrifugal rotor, whereby energy consumption can be reduced. However, the sprayed water, despite the use of the impact plate, returns relatively quickly and as a uniform mass of water back to the water body, i.e. the oxidation time of the sprayed mass of water is short and the surface area exposed to oxidation is small. Attempting to remedy this, for example by reducing the spray pipes or installing small-hole nozzles, would result in a substantial increase in flow resistance and wasted power consumption.

Jos hapetustehon lisäämiseksi linkoroottoria pyöritetään suurehkolla nopeudella, aiheuttavat roottorin ulkokehällä veteen pistävien putkien päät voimakasta virtausvastusta ja pyörtei-lyä, mikä aiheuttaa hukkatehoa, jota ei voida käyttää hyväksi suihkujen synnyttämisessä.If the centrifugal rotor is rotated at a higher speed to increase the oxidizing power, the ends of the tubes injecting water into the outer circumference of the rotor cause strong flow resistance and vortexing, which causes wasted power that cannot be utilized in generating jets.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan parannettu vedenhape-tuslaite, jossa tehokkaiden hapetussuihkujen synnyttämiseen tarvittava linkoroottorin pyöritysenergian tarve on minimoitu.It is an object of the invention to provide an improved water oxidation apparatus in which the need for centrifugal rotor energy required to generate efficient oxidation jets is minimized.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi on keksinnön mukainen ve-denhapetuslaite tunnettu siitä, että vedenlinkoamiselimissä on ensimmäinen virtausvyöhyke, jossa virtaus tapahtuu olennaisesti säteittäin linkoroottorin keskialueelta sen ulkokehälle, ja toinen virtausvyöhyke, jossa virtaus tapahtuu olennaisesti tangentiaalisesti, jolloin mainittu toinen virtausvyöhyke on muodostettu siten, että vedenlinkoamiseiimien ulkokehälle on järjestetty suihkutussuuttimia, joiden purkautumis-suihkut on suunnattu oleellisesti tangentin suunnassa pyörimissuuntaan nähden taaksepäin.To achieve this object, the water oxidation device according to the invention is characterized in that the water centrifuge members have a first flow zone in which the flow occurs substantially radially from the centrifuge rotor center to its outer circumference and a second flow zone in which the flow occurs substantially tangentially, said second flow zone being formed so that arranged spray nozzles, the discharge jets of which are directed substantially tangentially backwards in the direction of rotation.

Keksinnön mukaisissa vedenlinkoamiselimissä virtaus tapahtuu ensin linkoroottorin keskialueelta sen ulkokehälle, jolloin ulkokehälle saadaan syntymään keskipakovoiman aiheuttama staattinen paine, jota käytetään hyväksi veden suihkuttani! -seksi tangentiaalisista suihkutussuuttimista. Tällöin suihkujen reaktiovoima antaa takaisin sen työn, joka tarvittiin veden kehänopeuden antamiseen ja mainitun staattisen paineen synnyttämiseen ensimmäisessä virtausvyöhykkeessä. Ideaalitapauksessa saadaan tällöin takaisin suihkujen purkautumis-energiana lähes kaikki se työ, joka tehtiin mainitun ulko-kehänopeuden antamiseksi vedelle ja joka on varastoituna keskipakovoiman aiheuttamana paine-energiana roottorin ulkokehällä. Vaikka tällöin vedenlinkoamismatka linkoamiselimis-tä ulospäin pieneneekin, ei sillä ole olennaista merkitystä hapetustehokkuuden kannalta, koska vesi saadaan suihkutus- li 3 64125 suuttimista pisaroitetuksi siten, että suuri pinta-ala tulee kosketukseen ilman kanssa.In the water centrifugal members according to the invention, the flow first takes place from the central region of the centrifugal rotor to its outer circumference, whereby a static pressure caused by centrifugal force is created on the outer circumference, which is utilized by my water jet! sex from tangential spray nozzles. In this case, the reaction force of the jets returns the work required to give the circumferential velocity of the water and to generate said static pressure in the first flow zone. Ideally, the discharge energy of the jets then recovers almost all the work done to give said outer circumferential velocity to the water and which is stored as centrifugal pressure energy on the outer circumference of the rotor. Although the water spin distance from the centrifuge member is then reduced, it is not essential for oxidation efficiency because water is dripped from the spray nozzles so that a large surface area comes into contact with air.

Laite kuluttaa siis mahdollisimman vähän hukkaenergiaa ja olennaisesti kaikki käyttöenergia tulee käytetyksi hyväksi veden siirtämiseksi hienojakoisina suihkuina, pisaroina ja/tai sumuna astiasta sitä ympäröivään järveen, selkeytys- tai puhdistus-altaaseen tms.The device thus consumes as little wasted energy as possible and substantially all of the operating energy is used to transfer water in the form of fine showers, droplets and / or mist from the vessel to the surrounding lake, clarification or purification tank, etc.

Seuraavassa keksinnön eräitä suoritusesimerkkejä selostetaan lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää kaaviollisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaista vedenhapetuslaitetta pystyleikkauksessa.In the following, some embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a water oxidation device according to an embodiment of the invention in vertical section.

Kuvio 2 esittää pystyleikkauksena keksinnön mukaisen vedenha-petuslaitteen pohjavesiputken yläpäässä olevaa astiaa siihen sovitettuine linkoroottoreineen.Figure 2 shows a vertical section of a vessel at the upper end of the groundwater pipe of a water oxidizing device according to the invention with its centrifugal rotors arranged therein.

Kuvio 3 esittää päältäpäin nähtynä kuvion 2 mukaisen linkoroot-torin suoritusmuotoa ja kuvio 4 esittää pystyleikkauksena toisen suoritusmuodon mukaista linkoroottoria.Fig. 3 shows a top view of an embodiment of the centrifugal rotor according to Fig. 2, and Fig. 4 shows a vertical section of the centrifugal rotor according to the second embodiment.

Mikäli laitetta käytetään järvivesien hapettamiseen, on laitteen runko 1 ankkuroitu veden pinnalle kelluvaksi. Mikäli laitetta käytetään biologisissa vedenpuhdistamoissa hapetetun raakaveden syöttämiseen, voidaan runko 1 ankkuroida myös kiinteisiin allasrakenteisiin. Astia 2 on ripustettu runkoon 1 laakereilla 3 ja astiaan 2 on kiinnitetty halutun pituinen pohjavesiputki 4, joka avautuu astiaan 2 sopivimmin seulan tai muun suodattimen läpi. Pohjavesiputken 4 pituus valitaan käyttökohteen mukaan sellaiseksi, että se ulottuu lähelle pohjaa.If the device is used to oxidize lake water, the body 1 of the device is anchored to float on the surface of the water. If the device is used in biological water treatment plants to supply oxidized raw water, the body 1 can also be anchored to fixed basin structures. The vessel 2 is suspended from the body 1 by bearings 3 and a groundwater pipe 4 of the desired length is attached to the vessel 2, which opens into the vessel 2 preferably through a sieve or other filter. The length of the groundwater pipe 4 is chosen according to the application so that it extends close to the bottom.

Astiaan 2 on sovitettu yleisellä viitenumerolla 5 merkitty linkoroottori, joka on ripustettu akselin 6 päähän. Linkoroot- 4 64125 toriin 5 kuuluu keskisylinteri 7 sekä putkimaiset, säteittäin ulkonevat veden1inkoamiseiimet 8. Linkoamisputkien 8 sisäpäät avautuvat keskisylinteriin 7 vedenpinnan tason alapuolella.A centrifugal rotor, indicated by the general reference number 5, is arranged in the vessel 2 and is suspended at the end of the shaft 6. The centrifugal tube 64 includes a central cylinder 7 and tubular, radially projecting water jets 8. The inner ends of the centrifugal tubes 8 open into the central cylinder 7 below the water level.

Jotta putket 8 eivät pyöriessään leikkaisi vettä, on niiden alapuolelle sylinteriin 7 kiinnitetty ylöspäin avautuva kar-tiovaippa 9, joka ulottuu vedenpinnan yläpuolelle. Tällainen kartiopinta pyörii vedessä ilman mainittavaa pyörimisvastusta. Keskisylinterin 7 alapäässä on aukot, joihin liittyy pyörimissuuntaan avautuvat imukourut 10. Lisäksi, mutta ei väittämättä, keskisylinteriin 7 voi olla järjestettynä potkuri 11, jonka lapakulma muuttuu keskipakoissäätölaitteiston 12 avulla pyörimis nopeude s ta ri ippuvai sesti .In order to prevent the pipes 8 from cutting water as they rotate, an upwardly opening conical jacket 9 is attached to the cylinder 7 below them, which extends above the water surface. Such a conical surface rotates in water without significant rotational resistance. At the lower end of the central cylinder 7 there are openings with suction chutes 10 opening in the direction of rotation.

Linkoamisputkien 8 yläpuolelle on keskisylinteriin 7 kiinnitetty toinen kartiovaippa 13, jonka yläpinnalla on säteittäisiä 1inkoamissäivekkeitä 14, joilla voi olla poikkileikkauksessaan esim. kourumainen muoto.Above the centrifugal tubes 8, a second conical jacket 13 is attached to the central cylinder 7, the upper surface of which has radial spinning vanes 14, which may have a e.g. trough-shaped shape in cross section.

Akseli 6 on pyörivästi laakeroitu runkoon nivelellä 15, joka pyorimislaakeroinnin lisäksi muodostaa ristikääntönivelen siten, että li nkoroottori.n pyörimisakselin suunta voi määräytyä vapaasti ympäröivistä rakenteista riippumatta. Tällä voidaan eliminoida suurella nopeudella pyörivän 1inkoroottorin hyrrä-voimien vaikutus tukirakenteisiin. Akselia 6 pyöritetään va-paavaihteen 16 välityksellä voimansairtolaitteistolla 17, joka esitetyssä tapauksessa saa käyttövoimansa tuulivoimakoneel-ta 18. Tällainen tuuli voimakone on tunnettu esim. hakijan aikaisemmasta suomalaisesta patenttihakemuksesta n:o 800809.The shaft 6 is rotatably mounted on the frame by a joint 15 which, in addition to the rotary bearing, forms a cross-pivot joint so that the direction of the axis of rotation of the rotor can be freely determined independently of the surrounding structures. This eliminates the effect of the vortex forces of the high speed rotating rotor on the support structures. The shaft 6 is rotated via a freewheel 16 by a transmission device 17, which in the case shown is powered by a wind turbine 18. Such a wind turbine is known, for example, from the applicant's previous Finnish patent application No. 800809.

Tässä tuulivoimakoneessa on pystysuuntaisen pääakselin ympäri pyörivään vaakasuuntaiseen runkovarteen järjestetty pystyakse-leiden ympäri pyörivät siipipinnat, joiden pyörimisliike on siten pakko-ohjattu, että siipipintojen pyörimisnopeus on puolet runkovarren pyörimisnopeudesta, jolloin mainitun pakko-ohjauksen aikaansaava elin (ei. esitetty) on kytketty tuulen suuntaa tunnustelevan elimen ohjaamaksi siten, että siipipin-nat, jotka pääakselin vastakkaisilla puolilla ovat pääasiallisesti kohtisuorassa toisiaan vastaan, ovat määrätyssä kulmassa tuuif-n suun·-aan nährlfn. Tä ! 1 .i i so 1 1 a t un I i vo i niukon··»· i 1 a saadaan li 5 64125 halvalla rakenteella suuria vääntömomentteja jo suhteellisen pienillä tuulennopeuksilla. Vapaakytkin 16 mahdollistaa sen, että linkoroottori 5 voi jäädä pyörimään vaikka tuulivoima-kone vaihtelevalla tuulella välillä pysähtyisikin. Lisäksi voimansiirtolaitteiston välityssuhde on valittu sellaiseksi, että linkoroottori saavuttaa hyvin suuria pyörimisnopeuksia, vaihdellen muutamasta sadasta muutamaan tuhanteen r/min.This wind turbine has wing surfaces rotating about vertical axes arranged on a horizontal frame arm rotating about a vertical main axis, the rotational movement of which is forced-controlled so that the rotational speed of the wing surfaces is half the rotational speed of the frame arm. guided by the member so that the wing surfaces on opposite sides of the main axis are substantially perpendicular to each other are at a certain angle to the direction of the mouth. This! 1 .i i so 1 1 a t un I i vo i scarce ·· »· i 1 a with li 5 64125 cheap structure high torques are obtained even at relatively low wind speeds. The freewheel 16 allows the centrifugal rotor 5 to remain rotating even if the wind turbine is occasionally stopped at varying winds. In addition, the transmission ratio of the transmission equipment has been chosen such that the centrifugal rotor reaches very high rotational speeds, ranging from a few hundred to a few thousand rpm.

Kuviossa 2 suuremmassa mittakaavassa esitetty roottorilinko eroaa edellisestä vain siinä, että keskisylinterissä ei ole potkuria 11 säätölaitteistoineen 12. Nivelessä 15 on esitetty ristikääntönivel. Veden virtausta laitteen toimiessa on havainnollistettu nuolilla.The rotor centrifuge shown on a larger scale in Figure 2 differs from the previous one only in that the central cylinder does not have a propeller 11 with its adjusting devices 12. The joint 15 has a cross-turning joint. The flow of water while the appliance is operating is illustrated by arrows.

Kuviosta 3 ilmenee vielä tarkemmin imukourujen 10 muoto sekä linkoamisputkien 8 ja linkoamissiivekkeiden 14 sijoittaminen. Lisäksi näkyy linkoamisputkien 8 ulkoapäin sijoitetut suihku-tussuuttimet 19.Figure 3 shows in more detail the shape of the suction troughs 10 and the placement of the centrifugal tubes 8 and the centrifugal vanes 14. In addition, the spray nozzles 19 arranged on the outside of the centrifugal tubes 8 are shown.

Kuviossa 4 on esitetty linkoroottorin 5' yksinkertaisin suoritusmuoto. Siinä on kartiovaipan 13' yläpintaan kiinnitetty linkoamissiivekkeet 14' ja kartiovaipassa olevien aukkojen kohdalla on pyörimissuuntaan avautuvat imukourut 10'. Linkoroottorin 5' ulkokehälle voidaan asentaa suihkutussuuttimet, joiden tehtävänä on kääntää virtaus tangentiaalisesti taaksepäin.Figure 4 shows the simplest embodiment of the centrifugal rotor 5 '. It has centrifugal vanes 14 'attached to the upper surface of the conical jacket 13', and the openings in the conical jacket have suction troughs 10 'which open in the direction of rotation. Spray nozzles can be mounted on the outer circumference of the centrifuge rotor 5 ', the function of which is to reverse the flow tangentially backwards.

Laitteen toiminta on seuraava.The operation of the device is as follows.

Tuulivoimakoneen 18 tai muun käyttömoottorin pyörittämänä lin-koroottorille 5 annetaan huomattavan suuri pyörimisnopeus. Tämän vaikutuksesta alkaa linkoamisputkien 8 tyvipäissä oleva vesi siirtyä keskipakovoiman vaikutuksesta kohti linkoputkien 8 ulkopäitä. Astiasta 2 tulee jatkuvasti uutta vettä tilalle ja astia 2 täyttyy sitä mukaa pohjavesiputken 4 kautta. Keskipakovoiman aikaansaama suuri paine työntää veden suihkutus-suuttimista 19 hienojakoisina suihkuina, pisaroina ja/tai su- 64125 6 muna. Tämä paineella tapahtuva suihkutus toisaalta edistää roottorin 5 pyörimistä vähentäen siten tehontarvetta. Suihku-voimat siis kompensoivat sitä tehonkulutusta, joka tarvitaan kohti ulkokehää siirtyvän veden kehänopeuden lisäämiseen.Rotated by a wind turbine 18 or other drive motor, the lin-rotor 5 is given a remarkably high rotational speed. As a result, the water at the base ends of the centrifuge tubes 8 begins to move under the effect of centrifugal force towards the outer ends of the centrifuge tubes 8. Container 2 is constantly replaced by new water and container 2 is filled accordingly via the groundwater pipe 4. The high pressure exerted by the centrifugal force pushes the water from the spray nozzles 19 in the form of fine jets, droplets and / or an egg. This pressure spraying, on the other hand, promotes the rotation of the rotor 5, thus reducing the power requirement. The jet forces thus compensate for the power consumption required to increase the circumferential velocity of the water moving towards the outer perimeter.

Näin ollen tällä järjestelyllä tehon kulutus on minimissään. Kuitenkin tuulivoimakonetta 18 käytettäessä saattaa aika ajoin tehoa olla käytettävissä huomattavasti suurempia määriä. Toisaalta tehoa tulisi tällöin käyttää tuulivoimakoneen 18 jarruttamiseen sen ylikierrosten estämiseksi. Linkoamisroottorin 5 pyörimisnopeuden pyrkiessä kasvamaan, kohottavat imukourut 10 ja mahdollisesti järjestetty potkuri 11 vettä keskisylin-terissä 7 siten, että vesi virtaa keskisylinterin 7 yläreunojen yli tai sen yläosassa olevista aukoista kartiovaipan 13 päälle. Tällöin kourumaiset siivekkeet 14 linkoavat veden kar-tiovaipalta 13. Täten saadaan tehokkaasti käytetyksi hyväksi tuulivoimakoneen 18 antama ylimääräinen teho myös kovalla tuulella .Therefore, with this arrangement, power consumption is kept to a minimum. However, when using the wind turbine 18, significantly higher amounts of power may be available from time to time. On the other hand, the power should then be used to brake the wind turbine 18 to prevent its overspeeds. As the rotational speed of the centrifugal rotor 5 tends to increase, the suction chutes 10 and possibly the arranged propeller 11 raise the water in the central cylinder 7 so that water flows over the upper edges of the central cylinder 7 or from openings in its upper part on the conical shell 13. In this case, the trough-shaped vanes 14 centrifuge the water from the cone jacket 13. Thus, the extra power provided by the wind power machine 18 can be efficiently utilized even in high winds.

lili

Claims

7 64125

A water oxidation device for water bodies, in which a rotatable centrifuge rotor (5, 5 ') is arranged in the vessel (2) at the upper end of the vertical groundwater pipe (4), the water intake members (7, 10) of which are below the water surface and the water centrifuge means (8); 13, 14) are above the water surface, characterized in that the water centrifuge members (8; 13, 14} 13 ', 14') have a first flow zone in which the flow takes place substantially radially from the central region of the centrifugal rotor to its outer circumference and a second flow zone in which the flow takes place substantially tangentially , wherein said second flow zone is formed so as to be provided with spray nozzles (19) on the outer circumference of the water-spinning members, the discharge jets of which are directed substantially tangentially rearwardly in the direction of rotation.

Water oxidation device according to Claim 1, characterized in that the water centrifugal means have vanes (14; 14 ') which are fastened to the upper surface of the disc-shaped or conical part (13; 13') of the centrifugal rotor (5, 5 ').

Water oxidation device according to claim 2, characterized in that the water intake means are rotationally opening suction troughs (10 ') fixed to the lower surface of the disc-shaped or conical centrifugal rotor (5'), which transfer water from below the centrifugal rotor (5 ') to its upper surface.

Water oxidation device according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the centrifuge rotor (5) has centrifugal members (8, 14) at different heights, whereby water is centrifuged only at lower rotational means (8) and at higher rotational speed water is centrifuged at upper centrifugal members (14). 641 25 8