Устройство для перемешивания воды в стратифицированном водоеме

 

Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для охлаждения и очистки поверхностных вод от химических и биологических загрязнений, например нефтяных пленок, водорослей и т.п. Цель изобретения - повышение эффективности и эксплуатационных качеств. Устройство состоит из вертикальной трубы 1 с поплавком 2, установленным в верхней части трубы 1, стабилизирующих колец 7 и якоря. Верхняя подводная часть трубы 1 снабжена патрубками 5, направленными вниз и внутрь трубы 1, с установленными на их выходных отверстиях обратными клапанами 6. Труба 1 выполнена из теплопроводного материала и имеет в верхней надводной части уширение. При волнении вследствие различия гидростатического давления снаружи и внутри трубы 1 происходит открытие клапанов 6 и вода из верхних теплых слоев водоема перемещается в нижние, перемешиваясь и охлаждаясь. Охлаждение препятствует росту водорослей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

151)5 F 02 В 15/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4393867/23-15 (22) 18.01.88 (46) 28.02.90. Бюл. № 8 (71) Научно- исследовательский институт механики и МГУ им. М. В. Ломоносова (72) С. Я. Герценштейн, И. В. Некрасов, А. Е. Орданович и Л. В. Филянд (53) 627.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 716984, кл. С 02 F 1/20, 1977.

Авторское свидетельство СССР № 1469579, кл. А 01 G 15/00, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВОДЫ В СТРАТИФИЦИРОВАННОМ

ВОДОЕМЕ (57) Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для охлаждения и очистки поверхностных вод от химических и биологических

„„ЯЦ„„, 1546558 A 1

2 загрязнений, например нефтяных пленок, водорослей и т. п. Цель изобретения — повышение эффективности и эксплуатационных качеств. Устройство состоит из вертикальной трубы 1 с поплавком 2, установленным в верхней части трубы l, стабилизирующих колец 7 и якоря. Верхняя подводная часть трубы 1 снабжена патрубками 5, направленными вниз и внутрь трубы 1, с установленными на их выходных отверстиях обратными клапанами 6. Труба 1 выполнена из теплопроводного материала и имеет в верхней надводной части уширение. При. волнении вследствие различия гидростатического давления снаружи и внутри трубы 1 происходит открытие клапанов 6 и вода из верхних теплых слоев водоема перемещается в нижние, перемешиваясьь и охлаждаясь. Охлаждение препятствует росту водорослей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1546558

Для увеличения теплообмена жидкости, протекающей по трубе, с внешней средой внутренняя поверхность может быть снабжена ребрами, установленными вдоль оси трубы. Труба может быть выполнена в виде змеевика.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают в естественных водоемах (озерах, внутренних морях, морских заливах, континентальных шельфе океана) в условиях развитого термоклина при убывании температуры с ростом глубины, т. е. в средних северных широтах, преимущественно в летнее время. Во время волнения теплая поверхностная вода поднимается в юбке 3, переливается через край внутрь трубы 1 и под воздействием веса воды, расположенной выше свободного уровня водоема, опускается вниз, охлаждается при движении по участку трубы 1, расположенному ниже термоклина, и выталкивается вниз. В результате охлаждения плотность воды возрастает, и она становится тяжелее воды, расположенной выше термоклина. Поэтому вытекающая вода не может подняться выше уровня термоклина

55

Изобретение относится к области активного воздействия на водоемы в процессе хозяйственной деятельности человека и может быть применено для очистки поверхностных вод от химических и биологических загрязнений, например, нефтяных пленок, планитона и т. п.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из трубы 1, изготовленной из теплопроводного материала, поплавка 2 с юбкой 3, являющейся поверхностью усеченного конуса, направляющих плоскостей 4, патрубков 5 и обратных клапанов 6, стабилизирующих колец 7 и якоря (не показан). Труба 1 закреплена на поплавке 2 так, что ее верхний край возвышается над свободной поверхностью воды на несколько десятков сантиметров. На поплавке 2 установлена юбка 3 и направляющие плоскости 4. В верхней части трубы 1 сделаны впускные отверстия, на которых установлены патрубки 5 и впускные клапаны 6:

Обратный клапан может быть изготовлен из кусочка упругого материала (например, резины). В качестве обратного клапана может применяться лепестковый клапан и любой другой известный обратный клапан, пропускающий воду только внутрь трубы, когда наружное давление превышает внутреннее, и обладающий небольшим сопротивлением. 30

На трубе для улучшения демпфирующих свойств установлены одно или несколько стабилизирующих колец, диаметр которых более чем вдвое превышает диаметр трубы.

Диаметр верхней части трубы 1 больше диаметра основной ее части. 35 даже в том случае, если ее плотность продолжает оставаться меньше плотности воды, расположенной .ниже термоклина (например, в результате аномального распределения солености).

Тонкий слой поверхностной воды, содержащей максимальные концентрации загрязняющих веществ и органического материала, перемещается на глубину и распределяется по большому объему воды, расположенному ниже термоклина. Поскольку глубина залегания термоклина составляет обычно 20 — 40 м, а глубина компенсации, ниже которой фотосинтез прекращается, составляет тот же порядок, то указанное устройство может успешно применяться также для борьбы с цветением морской воды, в частности с весьма вредными «красными приливами». Поверхностные вещества, обладающие большой плавучестью, которые не могут быть увеличены потоком стекающей по трубе воды (плавающий мусор, остатки нефти) будут концентрироваться около предложенного. устройства за счет радиального течения к месту стока и могут быть легко собраны механическими средствами.

Устройство функционирует даже в том случае, когда высота волн настолько мала, что поверхностная вода не переливается через край трубы, а также при полном отсутствии волнения при положительном градиенте солености. При волновом движении поверхности водоема зависимость от глубины амплитуды отклонения давления от среднего гидростатического имеет вид

zfiz

AP= pgae У (1) где а — амплитуда волны;

Х вЂ” ее длина; р — плотность жидкости;

z — глубина;

g — ускорение силы тяжести.

Давление жидкости у нижнего конца трубы 1 равно среднему гидростатическому

pgH, в то время как у наружных стенок верхнего конца трубы 1 давление изменяется с амплитудой (1).

При превышении волной уровня средней поверхности давление у наружных стенок трубы в ее верхней части становится больше давления внутри трубы, клапаны 6 открываются, и поверхностная вода начинает поступать внутрь трубы 1 и двигаться к нижнему ее концу. Когда волна опускается ниже уровня средней поверхности, кла. паны 6 закрываются, а вода в трубе постепенно замедляет свое движение.

Увеличение диаметра трубы на участке выше ватерлинии устройства позволяет повысить эффективность устройства. В этом случае скорость Уд снижения уровня в верхней части трубы 1 равна (2) 1546558

Формула изобретения

Составитель Г. Вашина

Редактор М. Бандура Техред И. Верес Корректор В. Кабаций

Заказ 60 Тираж 531 Подписное

ВНИИПИ Государстаенного комитета по изобретениям н открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская на 6., д. 4/5

Производственно-издательскии комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

5 где V — скорость жидкости в трубе ниже ватерлинии;

d — диаметр основной трубы;

D — диаметр верхней части.

При D»d уровень в верхней части трубы будет постоянным и равным амплитуде волны а при отсутствии заплескивания, и Йа, если этот процесс имеет место. Здесь и — коэффициент увеличения амплитудьг волны при ее движении по юбке, установленной на поплавке внутри вер- 1О тикальных плоскостей. В этом случае на столб воды в трубе будет постоянно действовать избыточная сила.

Дополнительная движущая сила возникает за счет того, что, проходя слой термоклина, из-за высокой теплопроводности стенок трубы вода в трубе охлаждается и плотность ее возрастает. Поскольку соленость поверхностной воды в обычных условиях больше, чем соленость глубинной 20 воды, то вода в трубе становится тяжелее окружающей жидкости и возникает перепад давлений «самотяги». Под воздействием этого перепада тяжелая жидкость вытекает из нижнего конца трубы 1 даже при 25 отсутствии волнения. В этом случае уровень жидкости в трубе 1 становится несколько ниже уровня свободной поверхности, клапаны 6 открываются и пропускают поверхностную жидкость внутрь трубы 1. Этот процесс будет продолжаться, пока не срав- ЗО няются температуры и солености обоих слоев.

Из-за тепловой инерции и конечной скорости теплообмена поток в трубе должен пройти расстояние в несколько десятков диаметров, прежде чем его температура З5 приблизится к температуре внешней среды.

При этом для достижения значительного перепада давлений трубу 1 следует значительно удлинить, что увеличивает материалоемкость н линейные размеры конструкции.

С целью увеличения эффективности тепло- 4О обмена и уменьшения линейных размеров устройства внутренняя поверхность трубы может быть выполнена оребренной, причем ребра должны быть установлены продольно оси трубы. Кроме того, труба может быть выполнена в виде змеевика.

Эксперимент показал, что слой поверхностной воды толщиной в 1 м, загрязненной биологическими, химическими н механическими компонентами, будет в течение суток замещаться слоем чистой воды, расположенной ниже.

В неограниченном водоеме (бухте, заливе) закачиваемый на глубину поверхностный слой будет замещаться более чистой поверхностной водой из открытой акватории. Вертикальный подъем исчезнет или сильно замедлится и уменьшит скорость охлаждения поверхности.

Устройство эффективно функционирует как при весьма малом волнении, так и при полном отсутствии волнения в водоемах с положительным градиентом солености без дополнительных затрат энергии.

1. Устройство для перемешивання воды в стратифицированном водоеме, содержащее вертикальную трубу с поплавком в верхней части, кольцевым диском, прикрепленным снаружи к трубе н расположенным под поплавком в плоскости, перпендикулярной оси трубы, и радиальными направляющими пластинами, установленными на поплавке, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности работы устройства, труба выполнена из теплопроводного материала и снабжена установленными во внутренней полости трубы патрубкамн с входными и выходными отверстиями и с обратными клапанами на выходных отверстиях, при этом в верхней части трубы выполнены сквозные отверстия, в которых закреплены концы патрубков с входными отверстиями, а концы патрубков с обратными клапанами на выходных отверстиях направлены вниз.

2. Устройство по и. 1, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена с уширением над поплавком.