RU2549253C1

RU2549253C1 - Device for lifting of depth sea water onto surface

Info

Publication number: RU2549253C1
Application number: RU2014151926/93A
Authority: RU
Inventors: Игорь Фёдорович Лукашин
Original assignee: Морской гидрофизический институт
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2015-04-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.SUBSTANCE: device comprises a floating element 10, which is placed onto the sea surface and connected to a pump, rigidly fixed to the sea bottom or to massive floatage 8. The pump is made in the form of a cylindrical pipe-shaped vertically arranged chamber 1 semi-submerged into the sea, which in its upper and lower parts is equipped accordingly with lower 3 and upper 6 nozzles. At the lower nozzle 3 there is a hose 4 with certain length arranged in water depth. In the chamber there is a piston in the form of an inlet check valve placed on the stem 9, which is made as capable of passing water in the chamber only in direction from the lower nozzle to the upper one and is connected by means of the stem 9 with a floating element 10. The piston may be made within a membrane 12 adjacent to the plane of a disc 11 made with through holes, axes of which are parallel to the axis of the disc.EFFECT: simplified design, expanded area of application of a device for water lifting.2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится преимущественно к области океанологии и предназначено для забора глубинной воды морей и океанов с заданных горизонтов для последующих физических, химических, биологических исследований или для извлечения из нее отдельных минеральных или газовых компонентов в промышленных целях. Оно может быть использовано при решении любых иных задач, технологическим этапом которых является подъем воды с заданной глубины открытого водоема.The invention relates primarily to the field of oceanology and is intended for the abstraction of deep water of the seas and oceans from predetermined horizons for subsequent physical, chemical, biological studies or for extracting from it individual mineral or gas components for industrial purposes. It can be used to solve any other problems, the technological stage of which is raising water from a given depth of an open reservoir.

Обычно подъем глубинной воды на поверхность, например, мзрской воды, осуществляется с помощью погружного электрического насоса, который закрепляют на конце водозаборной трубы и опускают на глубину с помощью тросовой лебедки. Например, известно средство для подъема морской воды, использованное в устройстве для дегазации воды [1]. Оно содержит погружной водонапорный насос скважинного типа с водопроводным шлангом в виде полиэтиленовой трубки, по которой вода нагнетается наверх. Сходными признаками с существенными признаками заявленного изобретения являются насос с прикрепленным к нему водозаборным шлангом.Typically, the rise of deep water to the surface, for example, Mzrsk water, is carried out using a submersible electric pump, which is fixed at the end of the intake pipe and lowered to a depth using a cable winch. For example, it is known means for raising sea water, used in a device for degassing water [1]. It contains a submersible borehole type water pump with a water hose in the form of a polyethylene tube, through which water is pumped up. Similar features with the essential features of the claimed invention are a pump with a water intake hose attached to it.

Недостатком таких аналогов является то, что такое оборудование достаточно громоздко, сложно, особенно небезопасно в условиях штормящего моря и потребляет значительное количество электроэнергии -используемые в таких водоподъемных средствах насосы запитываюгся по кабелю напряжением 220-380 В и потребляют мощность порядка нескольких кВт.The disadvantage of such analogues is that such equipment is rather cumbersome, difficult, especially unsafe in the conditions of a stormy sea and consumes a significant amount of electricity - the pumps used in such water-lifting equipment are powered by a voltage of 220-380 V and consume power of the order of several kW.

Известен волновой водоподъемник [2], предназначенный преимущественно для применения в сельском хозяйстве. Он использует энергию ветровых волн открытого водоема путем непосредственного преобразования ее в водоподъемную силу с использованием вертикальных волновых перемещений и гидродинамического давления волны. Водоподъемник включает в себя неподвижную опору, закрепленную на дне открытого водоема, снабженную в своих верхней и нижней частях поворотным узлом с приводом жестко фиксированного горизонтального перемещения рамы с поршневым насосом и рычагом опоры, в нижней части опора снабжена рычагом с возможностью свободного вертикального перемещения связанного жестко со штоком насоса и стержнем поплавка, установленным под углом 105° к оси рычага. Приведенное устройство, как и заявленное решение, является волновой установкой и наиболее близко подходит к изобретению по совокупности признаков. Поэтому оно выбрано в качестве прототипа. Сходными признаками этих технических решений являются наличие поплавкового элемента и насоса, а также то, что заявленное устройство, как и прототип, может быть прикреплено к дну открытого водоема.Known wave water lift [2], intended primarily for use in agriculture. It uses the energy of wind waves in an open reservoir by directly converting it into a lifting force using vertical wave displacements and the hydrodynamic pressure of the wave. A water lift includes a fixed support fixed to the bottom of an open reservoir, equipped in its upper and lower parts with a rotary assembly with a drive of rigidly fixed horizontal movement of the frame with a piston pump and a support lever, in the lower part of the support is equipped with a lever with the possibility of free vertical movement connected rigidly with pump rod and float rod mounted at an angle of 105 ° to the axis of the lever. The above device, like the claimed solution, is a wave installation and most closely approaches the invention by a combination of features. Therefore, it is selected as a prototype. Similar features of these technical solutions are the presence of a float element and a pump, as well as the fact that the claimed device, like the prototype, can be attached to the bottom of an open reservoir.

Недостатками прототипа являются его сложность и ограничение применения, т.к. он предназначен для работы в открытых водоемах с небольшими глубинами - устройство крепится к его дну. В целях океанографических исследований это устройство может быть использовано только в узкой прибрежной зоне и не применимо для подъема глубинной морской воды с целью извлечения сероводорода для нужд промышленности.The disadvantages of the prototype are its complexity and limitation of use, because it is designed to work in open waters with shallow depths - the device is attached to its bottom. For oceanographic research, this device can only be used in a narrow coastal zone and is not applicable for raising deep sea water in order to extract hydrogen sulfide for industrial needs.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для подъема воды из водоема, которое преобразует энергию поверхностных волн этого водоема в водоподъемную силу, и в котором совокупностью характеризующих его существенных признаков обеспечивается технический результат - упрощение устройства. При этом за счет признаков, характеризующих постановку устройства, достигается новое свойство: возможность забора воды именно с больших глубин открытых водоемов -морей и океанов, что обусловливает другой технический результат изобретения - расширение области применения устройства для подъема воды.The basis of the invention is the task of creating a device for lifting water from a reservoir, which converts the energy of the surface waves of this reservoir into a lifting force, and in which the combination of essential features characterizing it provides a technical result - simplification of the device. At the same time, due to the signs characterizing the installation of the device, a new property is achieved: the ability to withdraw water from the great depths of open reservoirs, seas and oceans, which leads to another technical result of the invention - expanding the scope of the device for lifting water.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для подъема глубинной морской воды на поверхность путем использования механической энергии поверхностных морских волн, которое содержит поплавковый элемент, насос и жестко прикреплено к морскому дну, новым является то, что насос выполнен в виде цилиндрической трубообразной вертикально расположенной полупогруженной в море камеры, которая жестко прикреплена к морскому дну или к массивной плавучести и снабжена в своих нижней и верхней частях соответственно нижним и верхним штуцерами, на первом из которых закреплен расположенный в толще воды шланг определенной длины, при этом в камере размещен закрепленный на штоке поршень в виде впускного обратного клапана, который выполнен с возможностью пропускания воды в камере только в направлении от нижнего штуцера к верхнему и соединен посредством штока с поплавковым элементом, помещенным на поверхность моря. Поршень может быть выполнен в составе мембраны, прилегающей к плоскости диска, выполненного со сквозными отверстиями, оси которых параллельны оси диска. При необходимости вместо диска может быть применен цилиндр.The problem is solved in that in a device for lifting deep sea water to the surface by using the mechanical energy of surface sea waves, which contains a float element, a pump and is rigidly attached to the seabed, it is new that the pump is made in the form of a cylindrical tube-shaped vertically located semi-submerged in the sea of the chamber, which is rigidly attached to the seabed or to massive buoyancy and is equipped in its lower and upper parts with lower and upper fittings, respectively, the first of which is a hose of a certain length located in the water column, while the piston mounted on the rod in the form of an inlet check valve is arranged in the chamber, which is configured to let water pass in the chamber only in the direction from the lower fitting to the upper one and is connected via the rod to the float element placed on the surface of the sea. The piston can be made as part of a membrane adjacent to the plane of the disk, made with through holes, the axes of which are parallel to the axis of the disk. If necessary, a cylinder may be used instead of a disc.

Отличия заявленного изобретения относятся к особенностям конструктивного исполнения волнового насоса, взаимосвязям характеризующих его признаков с другими существенными признаками устройства, а также к особенностям постановки устройства, а именно: оно может быть жестко прикреплено в зоне шельфа к морскому дну посредством опоры, как и прототип, и вместе с тем оно может быть через крепление жестко присоединено к массивной плавучести, например корпусу судна или морского буя, т.к. разность инерционностей массивной плавучести и легкой. плавучести - поплавкового элемента - обусловливает работоспособность конструкции при таком новом закреплении водоподъемного устройства.The differences of the claimed invention relate to the design features of the wave pump, the relationship of the characteristics characterizing it with other essential features of the device, as well as to the features of the device, namely: it can be rigidly attached in the shelf zone to the seabed by means of a support, like the prototype, and at the same time, it can be rigidly attached to the massive buoyancy through the mount, for example, the hull of a ship or sea buoy, because the inertia difference of massive buoyancy and light. buoyancy - float element - determines the performance of the design with such a new fastening of the lifting device.

Сущность изобретения поясняется с помощью рисунка, на котором изображена постановка устройства путем закрепления его на массивной плавучести.The invention is illustrated using the figure, which shows the formulation of the device by fixing it to massive buoyancy.

Устройство содержит волновой насос в виде цилиндрической трубообразной вертикально расположенной полупогруженной в море камеры 1, которая может быть выполнена из отрезка алюминиевой трубы длиной 1500 мм, внутренним диаметром 100 мм и толщиной стенки 6 мм. Труба заглушена сверху - крышкой, в центре которой установлен сальник 2, а снизу - днищем с установленным з нем нижним штуцером 3, на котором закреплен заборный шланг 4 заданной длины с концевиком 5, служащим для заглубления шланга, его вертикального расположения в толще воды, а также предотвращения попадания в шланг инородного тела. В качестве шланга 4 может быть использована полиэтиленовая трубка с внутренним диаметром 32 мм, длиной 1000 м. Концевик 5 выполнен металлическим с сетчатой поверхностью. В верхней своей части камера 1 содержит верхний штуцер 6 для слива поднятой воды, например в реактор 7, где производятся дальнейшие технологические операции по извлечению требуемых компонентов из воды или ее использованию. Камера 1 через крепление жестко присоединена к массивной плавучести - морскому бую 8. Устройство содержит П-образный шток 9, выполненный из согнутого нержавеющего прутка с диаметром поперечного сечения 6 мм. На одном конце штока 9 жестко закреплен поплавковый элемент 10, помещенный на поверхность моря, и который выполнен из винипласта в форме диска диаметром 500 мм, высотой 150 мм. Другой конец П-образного штока 9 через сальник 2 пропущен в полость камеры 1 и на нем жестко закреплен поршень, д.г я хода которого внутренняя поверхность камеры обработана. Поршень выполнен в виде впускного обратного клапана, который пропускает воду в камере только снизу вверх, например он выполнен в виде диска 11, например из фторопласта, высотой 8 мм со сквозными отверстиями, оси которых параллельны оси диска, и прилегающей к верхней плоскости диска мембраны 12, которая выполнена, например, из кислотощелочностойкой резины толщиной 4 мм и диаметром, соответствующим диаметру диска 11. Для предохранения устройства от ударов при появлении поверхностных волн большой высоты, например выше 1 м, камера снабжена верхним 13 и нижним 14 ограничителями хода штока 9, которые, например, выполнены в виде резиновых подушек.The device comprises a wave pump in the form of a cylindrical tube-shaped vertically located chamber 1 immersed in the sea, which can be made of a piece of aluminum pipe with a length of 1500 mm, an inner diameter of 100 mm, and a wall thickness of 6 mm. The pipe is plugged at the top - with a cover in the center of which an oil seal 2 is installed, and at the bottom with a bottom with a lower fitting 3 installed on it, on which a sampling hose 4 of a given length is fixed with an end 5 that serves to deepen the hose, its vertical location in the water column, and also preventing foreign bodies from entering the hose. As a hose 4, a polyethylene tube with an internal diameter of 32 mm and a length of 1000 m can be used. The end 5 is made of metal with a mesh surface. In its upper part, the chamber 1 contains an upper fitting 6 for draining the raised water, for example, into the reactor 7, where further technological operations are carried out to extract the required components from the water or its use. The camera 1 through the mount is rigidly attached to massive buoyancy - the sea buoy 8. The device contains a U-shaped rod 9 made of a bent stainless rod with a cross-sectional diameter of 6 mm. At one end of the rod 9, a float element 10 is fixedly fixed, placed on the surface of the sea, and which is made of vinyl plastic in the form of a disk with a diameter of 500 mm and a height of 150 mm The other end of the U-shaped rod 9 through the gland 2 is passed into the cavity of the chamber 1 and a piston is rigidly fixed on it, for the stroke of which the inner surface of the chamber is processed. The piston is made in the form of an inlet check valve, which passes water in the chamber only from the bottom up, for example, it is made in the form of a disk 11, for example, of fluoroplastic, 8 mm high with through holes, the axes of which are parallel to the axis of the disk and adjacent to the upper plane of the disk of the membrane 12 , which is made, for example, of acid-alkali-resistant rubber with a thickness of 4 mm and a diameter corresponding to the diameter of the disk 11. To protect the device from shock when surface waves of high height, for example above 1 m, appear, the camera is equipped with a top 13 and lower 14 stroke limiters of the rod 9, which, for example, are made in the form of rubber pads.

Таким образом, поплавковый элемент и поршень насоса образуют конструктивно единое целое.Thus, the float element and the piston of the pump form a structurally integrated whole.

Устройство работает следующим образом. Под воздействием волновой энергии поплавковый элемент 10 совершает вертикальные колебательные движения. Сущность изобретения в том, что такие колебания поплавка преобразуются в поступательное движение воды из глубины моря наверх. А именно: при подъеме волны поплавковый элемент 10 идет вверх и одновременно поднимается вверх поршень насоса, в то время как его корпус - камера 1 - остается неподвижным вследствие инерционности морского буя 8, который имеет массу, например, 1000 кг. Вода в надпоршневом пространстве камеры 1 прижимает мембрану 12 к верхней плоскости диска 11 и перекрывает его отверстия. В подпоршневом пространстве камеры 1 создается разрежение и вода из глубины по шлангу 4 поднимается наверх, заполняя это пространство. При опускании волны поплавковый элемент 10 движется вниз и одновременно опускается поршень. При этом нарушается плотное прилегание мембраны 12 к диску 11, его отверстия открываются и поршень проходит вниз сквозь воду подпоршневого пространства камеры. При движении поплавка снова вверх отверстия диска 11 перекрываются мембраной 12, отсекая надпоршневый объем воды. Поршень идет вверх, вытесняя глубинную воду из камеры 1 через сливной штуцер 6 в реактор 7.The device operates as follows. Under the influence of wave energy, the float element 10 performs vertical oscillatory movements. The essence of the invention is that such oscillations of the float are converted into the translational movement of water from the depths of the sea up. Namely: when the wave rises, the float element 10 goes up and at the same time the pump piston rises up, while its body - chamber 1 - remains stationary due to the inertia of the sea buoy 8, which has a mass of, for example, 1000 kg. Water in the above-piston space of the chamber 1 presses the membrane 12 against the upper plane of the disk 11 and blocks its openings. In the under-piston space of the chamber 1, a vacuum is created and water from the depth through the hose 4 rises up, filling this space. When the wave is lowered, the float element 10 moves down and at the same time the piston lowers. In this case, the tight fit of the membrane 12 to the disk 11 is violated, its openings open and the piston passes down through the water of the piston chamber space. When the float moves again upwards, the holes of the disk 11 are blocked by the membrane 12, cutting off the over-piston volume of water. The piston goes up, displacing the deep water from the chamber 1 through the drain fitting 6 into the reactor 7.

При эксплуатации устройства в условиях интенсивного волнения оно может быть снабжено дополнительными обратными клапанами, которые могут быть расположены на нижнем штуцере 3, концевике 5 и в шланге 4, например через каждые 50 м его длины.When operating the device in conditions of intense waves, it can be equipped with additional check valves, which can be located on the lower fitting 3, the end 5 and in the hose 4, for example, every 50 m of its length.

Достоинством предложенного устройства является то, что оно не требует источников электроснабжения и участия оператора, является безопасным и эффективным из-за способности обеспечить доставку с большой глубины на поверхность значительных объемов воды за счет непрерывности работы, т.к. волновые колебания поверхности, в том числе ветровые волны, практически всегда имеют место в открытых водоема <5 особенно в морях и океанах, где преимущественно работает устройство.The advantage of the proposed device is that it does not require power sources and operator’s participation, it is safe and effective because of the ability to ensure the delivery of large volumes of water from great depths to the surface due to the continuity of operation, because surface wave oscillations, including wind waves, almost always occur in open reservoirs <5, especially in the seas and oceans, where the device primarily works.

Использованные источники:Used sources:

1. Устройство для дегазации воды. А.с. СССР № 1150228. опубл. 15.04.85, бюл.№ 14.1. Device for degassing water. A.S. USSR No. 1150228. publ. 04/15/85, bull. No. 14.

2. Волновой водоподъемник. Заявка РФ № 93006302/29 на изобретение, опубл. 20.12.95, бюл. № 35 - прототип.2. The wave water lift. RF application No. 93006302/29 for the invention, publ. 12/20/95, bull. No. 35 is a prototype.

Claims

1. A device for lifting deep sea water to the surface by using the mechanical energy of surface sea waves, which contains a float element, a pump and is rigidly attached to the seabed, characterized in that the pump is made in the form of a cylindrical tube-shaped vertically located semi-submerged chamber in the sea, which is rigidly attached to the seabed or to massive buoyancy and equipped in its lower and upper parts, respectively, lower and upper fittings, on the first of which is located a hose in the water column of a certain length, while the piston is mounted on the rod in the form of an inlet check valve, which is configured to let water in the chamber only in the direction from the lower fitting to the upper and connected via a rod to the float element located on the surface seas.

2. The device according to p. 1, characterized in that the piston includes a membrane adjacent to the plane of the disk, made with through holes, the axes of which are parallel to the axis of the disk.