PL226455B1 - Niskociśnieniowy elektryczny zawór obrotowy dla regulacji przepływu płynów w oczyszczalniach biologicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zawór obrotowy elektryczny dla sterowania płynami, zwłaszcza gazami o niewielkim ciśnieniu do 1 bar, przeznaczony do stosowania w oczyszczalniach ścieków w systemach regulacji przepływu płynów.

Znane jest z publikacji CN203360074 automatyczne urządzenie do sterowania procesem oczyszczania wody, zawierające regulator przepływu, co prawda cieczy oraz dwa zespoły do obróbki cieczy. Regulator przepływu cieczy zawiera dwa elementy kontroli przepływu. Drugi element kontroli przepływu znajduje się w kontakcie z pierwszym i może obracać się względem pierwszego. Użytkownik może sterować stanem obu zespołów obróbki cieczy przez wysterowanie regulatora przepływu cieczy. Sterowanie ruchem cieczy wymaga jednak mocnej, wytrzymałej na duże ciśnienia konstrukcji, która w tym rozwiązaniu oparta jest o obrotowe elementy cylindryczne.

Zawór obrotowy dla ciśnień do 1 bar [1000 hPa], projektowany jest pod kątem jego wykorzystania w oczyszczalni ścieków wszędzie tam, gdzie występuje napowietrzanie ścieków i nie służy do regulacji przepływu cieczy. Oczyszczalnie tego typu należą do grupy biologicznych oczyszczalni ścieków, których najprostszym przykładem jest oczyszczalnia biologiczna, pracująca w technologii SBR (Sequential Batch Reactor - przedstawiona dla lepszego zrozumienia idei napowietrzania ścieków na fig. 5). W takich oczyszczalniach procesy oczyszczania zachodzą sekwencyjnie, a do ich uzyskania jest niezbędne doprowadzenie powietrza. Oczyszczanie odbywa się w dwóch komorach, z których jedna pełni rolę osadnika wstępnego, a druga reaktora biologicznego. Sekwencją oczyszczania zarządza sterownik podłączony do wyspy zaworowej (WZ) oraz dmuchawy (DM) napowietrzającej ścieki. Powietrze dostarczane do wyspy zaworowej ma ciśnienie ok. 0,5 bara.

W rozwiązaniach klasycznych, poprzez wyspę zaworową (WZ) dostarczane jest powietrze do jednego z poniżej wymienionych elementów systemu:

- pomp dozowania ścieków z osadnika do reaktora (P1),

- dyfuzor napowietrzający ścieki w reaktorze (D),

- pompa wypompowania ścieków oczyszczonych (P2),

- pompa zawracająca ciężki osad z reaktora do osadnika (P3).

Jako rozdzielacz powietrza w rozwiązaniach powszechnie stosowanych używa się wysp zaworowych zapożyczonych z automatyki przemysłowej, gdyż niezmiernie mało jest rozwiązań specjalnie zaprojektowanych i dedykowanych do pracy w specyficznym i niekorzystnym środowisku do pracy w oczyszczalniach ścieków. Wyspy tego typu zbudowane są w oparciu o cewki elektromagnetyczne o średnim poborze mocy 10-15 W. Rozwiązanie tego typu jest sprawdzone i cechuje się duża niezawodność pracy w automatyce przemysłowej. Aby było możliwe dostarczanie powietrza do jednego z elementów systemu, cewka musi pracować w tym samym czasie co dmuchawa. Zsumowany czas pracy wszystkich cewek w ciągu jednej doby wynosi średnio dla oczyszczalni około 10 godzin. Dodatkowo cewki elektromagnetyczne podczas pracy wydzielają dużo ciepła oraz pobierają stosunkowo dużo mocy. Typowa energochłonność klasycznej wyspy zaworowej z cewkami elektromagnetycznymi, stosowanej w przydomowej oczyszczalni ścieków wynosi 0,15 kWh na dobę. Wynika to z tego, że układy tego typu przeznaczone są dla dużo większych przepływów powietrza i znacznie większych ciśnień - ok. 7 bar. Należy również wspomnieć, że w rozwiązaniu z cewkami elektromagnetycznymi na każdy dodatkowy ciąg powietrza należy przeznaczyć kolejną cewkę. Reasumując, rozwiązanie takie nie jest rozwiązaniem oszczędnym i prostym, choć jest stosowane od wielu lat.

Biorąc pod uwagę wszelkie rozwiązania rozdziału powietrza stosowane w oczyszczalniach ścieków można wyszczególnić ich mocne i słabe strony.

Mocnymi stronami aktualnych rozwiązań jest to, że jest wielu producentów i wiele dostępnych typów rozwiązań sprawdzonych od ponad kilka dekad na rynku.

Słabymi stronami aktualnych rozwiązań są:

- rozwiązania przewymiarowane i nie przystosowane do pracy w tego typu systemach, a stąd są drogie i skomplikowane w budowie,

- energochłonne, gdyż podczas pracy typowy pobór w zależności od modelu wynosi 10-15 W,

- możliwość niebezpiecznego porażenia prądem z powodu zasilania napięciem 230 V,

- wydzielanie ciepła i możliwe poparzenie użytkowników,

- skomplikowana budowa, gdzie im więcej wyjść tym więcej cewek,

- wykonanie z materiałów które nie są odporne na działanie środowiska ścieków.

PL 226 455 B1

Niskociśnieniowy elektryczny zawór obrotowy do regulacji przepływu płynów, w szczególności gazów w oczyszczalni ścieków zawiera wejście zasilające i co najmniej jedno wyjście, których stan otwarcia lub zamknięcia dokonywany jest przez zawór poruszany elektro-mechanicznymi elementami sterującymi, hermetycznie oddzielonymi od komory zaworowe, oraz ma korpus dolny, korpus górny oraz pokrywę komory zespołu sterującego. Korpus dolny, korpus górny oraz pokrywa tworzą dwukomorową przestrzeń: komorę przysłony i komorę zespołu sterującego. Korpus górny, zamknięty jest pokrywą i zawiera elektro-mechaniczne elementy sterujące. Wśród tych elementów jest silnik elektryczny, korzystnie silnik niskonapięciowy na prąd stały, najkorzystniej silnik krokowy, oraz koła zębate. Elektro-mechaniczne elementy sterujące połączone są z przysłoną talerzową umieszczoną w korpusie dolnym. Korpus dolny ma wejście zasilające oraz co najmniej jedno wyjście. Przysłona to obrotowe zawieradło z płaską powierzchnią uszczelniającą dla otwierania wyjścia lub wyjść. Przysłona dociskana jest do korpusu dolnego przez sprężynę. Przysłona jest połączona z kołem zębatym napędzanym przez silnik elektryczny. Obie komory są od siebie oddzielone poprzez przegrodę zintegrowaną z korpusem górnym, a pomiędzy korpusami na ich krawędziach zastosowano uszczelnienie. Również pomiędzy korpusami i przysłoną zastosowaną uszczelnienie. Kolejne uszczelnienie znajduje się pomiędzy korpusem górnym i pokrywą komory zespołu sterującego.

Zawór obrotowy elektryczny, według wynalazku, został zaprojektowany specjalnie dla oczyszczalni ścieków i wykonany całkowicie z tworzywa sztucznego. Wybór materiału użytego do jego budowy został podyktowany agresywnym środowiskiem pracy w którym ma być stosowany. Ścieki jak i wszelkie gazy, które są przez nie emitowane, niekorzystanie wpływają na żywotność elementów wykonanych z metali. Wszelkie stale kwasoodporne, stopy aluminium czy miedzi w zetknięciu ze środowiskiem ścieków zaczynają ulegać po pewnym czasie korozji. Zawór jest stosowany głównie do rozdziału powietrza o ciśnieniu nie przekraczającym 1 bar.

Zawór spełnia obecne wymagania związane z obniżaniem energochłonności oraz zwiększaniem bezpieczeństwa użytkowników.

Zalety rozwiązania:

- prosta budowa; system nie jest przewymiarowany, powielony.

- bardzo niska energochłonność; na poziomie tysięcznych części kWh,

- zasilana jest napięciem bezpiecznym; do 12 V DC,

- nie wydziela ciepła; brak możliwości oparzenia użytkownika,

- układ od 1 do n wyjść posiada taką samą konstrukcję;

- użyte materiały są przyjazne poddają się recyklingowi i są odporne na działanie agresywnego środowiska ścieków,

- rozwiązanie jest ekonomiczne w produkcji; system nie jest powielany,

- łatwa w naprawie; konstrukcja oparta na prostych elementach mechanicznych.

Przedmiotem wynalazku jest zawór przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia aksonometryczny widok zaworu z góry, fig. 2 od strony wyjść, fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny, a fig. 4 widok rozstrzelony zaworu, natomiast fig. 5 obrazuje uproszczony schemat oczyszczalni typu SBR z umiejscowieniem zaworu.

W budowie zewnętrznej zaworu można wyszczególnić takie elementy jak korpus dolny 1, korpus górny 2 oraz pokrywę komory zespołu sterującego 3. Zawór w podstawnej swojej wersji posiada jedno wejście zasilające W1 oraz cztery wyjścia W2, W3, W4, W5. Wyjścia te służą, do przekazania powietrza w kolejne elementy systemu oczyszczalni. Możliwe jest wykonanie zaworu z trzema, dwoma i jednym wyjściem jak i również wykonanie wariacji z większa niż cztery liczbą wyjść.

Do wejścia W1 przyłączona zostaje dmuchawa napowietrzająca ścieki. Wyjście W2 jest połączone z pompą dozującą ścieki, z komory osadnika wstępnego do reaktora biologicznego. Wyjście W3 służy do napowietrzania ścieków w reaktorze biologicznym. Przy pomocy elastycznego węża zostaje do niego podpięty dyfuzor/dyfuzory. Wyjście W4 służy do odpompowania oczyszczonych ścieków, z reaktora biologicznego. Ścieki oczyszczone poprzez pompę zasilaną tym wyjściem opuszczają oczyszczalnię biologiczną. Wyjście W5 jest podłączone z pompą zawracającą ciężki osad, z reaktora biologicznego do osadnika celem powtórnego jego oczyszczenia. Wejście, wyjścia oraz elementy obudowy to wszystkie charakterystyczne elementy widoczne z zewnątrz.

Wnętrze zaworu zostało podzielone na dwie komory. Pierwsza komora to komora przysłony K1 druga to komora zespołu sterującego K2.

Obie komory są od siebie oddzielone poprzez przegrodę zintegrowana z korpusem górnym 2. Poprzez wejście W2 do komory przysłony K1 podawane jest powietrze pod ciśnieniem ok. 0,5 bara.

PL 226 455 B1

Zostaje ono przekazane przez jedno z wyjść do oczyszczalni. Aby powietrze nie wydostawało się na zewnątrz zastosowano uszczelnienie 4 pomiędzy elementami korpusu. Uszczelnienie 5 oraz 6 mają za zadanie zamknąć cały zespół sterowania w hermetycznej komorze K2. Wybór odpowiedniego wyjścia jest wykonywany poprzez przysłonę 7, która jest obrotowym zawieradłem z płaską powierzchnią uszczelniającą. Wykonuje ona ruch obrotowy otwierając jedno z wyjść i zamykając pozostałe. Wszelkie niebezpieczne dla działania zaworu gazy z oczyszczalni mogą znaleźć się jedynie w komorze przysłony K1. Komora ze wszelkimi elementami elektronicznymi K2 jest chroniona przed wszelkimi niebezpiecznymi warunkami środowiska.

Istotnym elementem zaworu jest przysłona 7, której zadaniem jest otwieranie odpowiedniego wyjścia. Przysłona w celu uzyskania szczelność dociskana jest do korpusu dolnego dzięki sprężynie 8. W komorze zespołu sterowania do przysłony jest przymocowane koło zębate 9. Taki zespół zostaje wprawiony w ruch obrotowy dzięki silnikowi elektrycznemu 10. Przesłona wykonując ruch obrotowy zapobiega gromadzeniu się zanieczyszczeń na powierzchni wewnętrznej korpusu dolnego.

Przysłona 7 zamknięta pomiędzy korpusem dolnym a górnym, przesuwa się zgodnie z algorytmem pracy otwierając odpowiednią sekcję (wyjście). Jest ona napędzana przez silnik niskonapięciowy na prąd stały. Napięcie pracy do 12 V DC. Silnik zostaje uruchomiony tylko w momencie kiedy chcemy otworzyć lub zamknąć sekcje. Energochłonność proponowanego rozwiązania jest na poziomie tysięcznych części kWh. Średni czas pracy wszelkich elementów elektrycznych, z których znajdują się zaworze to około pół minuty w ciągu doby. Dla porównania cewki elektromagnetyczne są uruchomione przez około 10 godzin. Wszystkimi funkcjami pracy dmuchawy jak i zaworu zarządza odpowiedni sterownik.

Claims (8)

1. Niskociśnieniowy elektryczny zawór obrotowy dla regulacji przepływu płynów w oczyszczalniach biologicznych zawiera wejście zasilające i co najmniej jedno wyjście, których stan otwarcia lub zamknięcia dokonywany jest przez zawór poruszany elektro-mechanicznymi elementami sterującymi, hermetycznie oddzielonymi od komory zaworowej, znamienny tym, że zawiera korpus dolny (1), korpus górny (2) połączone rozłącznie, oraz pokrywę komory zespołu sterującego (3) połączoną z korpusem górnym (2) rozłącznie, które tworzą dwukomorową przestrzeń: komorę przysłony (K1) i komorę zespołu sterującego (K2), komory są od siebie oddzielone i hermetycznie uszczelnione przez zastosowanie uszczelnień (4), (5) oraz (6), przy czym w korpusie górnym (2) umieszczone i zamocowane są elektromechaniczne elementy sterujące silnik (9) i przekładnia (10), które połączone są z przysłoną (7) umieszczoną w korpusie dolnym, wyposażonym w wejście zasilające (W1) oraz co najmniej jedno wyjście (W2) lub (W3) lub (W4) lub (W5), natomiast pomiędzy przysłoną (7), a korpusem górnym (2) jest umieszczona sprężyna (8).

2. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że przysłona (7), korzystnie przysłona talerzowa jest obrotowym zawieradłem z płaską powierzchnią uszczelniającą dla otwierania odpowiedniego wyjścia W2 lub W3 lub W4 lub W5.

3. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że przysłona (7) dociskana jest do korpusu dolnego (1) przez sprężynę (8).

4. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że przysłona (7) jest połączona z kołem zębatym (9) napędzanym przez silnik elektryczny (10).

5. Zawór według zastrz. 4, znamienny tym, że silnik elektryczny (10) to korzystnie silnik niskonapięciowy na prąd stały lub silnik krokowy.

6. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że komory (K1, K2) oddzielone są od siebie poprzez przegrodę zintegrowaną z korpusem górnym (2), a pomiędzy korpusami na ich krawędziach zastosowano uszczelnienie (4).

7. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy korpusem górnym (2) i przysłoną (7) znajduje się uszczelnienie (5).

8. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy korpusem górnym (2) i pokrywą (3) komory zespołu sterującego znajduje się uszczelnienie (6).