Пруд-испаритель минерализованного дренажного стока
Владельцы патента RU 2646640:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова" (ФГБНУ "ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова") (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству и может найти применение преимущественно при утилизации минерализованного дренажного стока гидромелиоративных систем, а также при выпаривании сточных вод различного генезиса. Пруд-испаритель минерализованного дренажного стока включает открытый водоем, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом. Водоем разделен на секции, одна из которых, аккумулирующая дренажный сток, разделена на несколько отсеков, подключенных к подводящему каналу и сообщенных с секцией интенсивного испарения дренажных вод, сопряженной в свою очередь с секцией аккумуляции концентрированных рассолов. Система подогрева воды выполнена из проложенных по дну секции интенсивного испарения перфорированных труб, подключенных к нагревателю воздуха с компрессором, а каждая пара труб снабжена перфорированным гибким экраном, состоящим из двух полотнищ, одна из кромок которых закреплена неподвижно на дне отсека, а вторая зафиксирована на поплавке, и поплавки двух полотнищ соединены упругой гибкой связью. Пруд-испаритель снабжен смонтированным на берегу водопроводящим трубопроводом с аэрозольными разбрызгивателями, сообщенным через насосную станцию с секцией интенсивного испарения. Реализация предложенной конструкции пруда-испарителя минерализованного дренажного стока позволяет повысить эффективность использования энергоресурсов, затрачиваемых на нагрев минерализованных дренажных вод, и тем самым повысить эффективность их испарения, а также снизить тепловое загрязнение воздушного пространства на территориях, прилегающих к месту расположения пруда-испарителя. 7 ил.
Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и найдет применение преимущественно при утилизации минерализованного дренажного стока гидромелиоративных систем. Может также найти применение при выпаривании сточных вод различного генезиса.
Известен пруд-испаритель минерализованного дренажного стока, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом и снабженный плавающими испаряющими элементами из гидрофильного капиллярно-пористого материала. Плавающие испаряющие элементы выполнены в виде покрытых гидрофильным капиллярно-пористым материалом полых перфорированных барабанов, закрепленных между двумя опорными поплавками с возможностью вращения вокруг своей горизонтальной оси с помощью торцевых полуосей, вставленных в размещенные по длине втулки и снабженных механизмом их синхронного поворота на 180° и обратно (РФ, Патент №2527041, 2014, Бюл. №24).
К недостаткам данного технического решения относятся возможность механического и биологического засорения акселераторов испарения с покрытием из капиллярно-пористого материала в процессе их эксплуатации, снижающего его адсорбционные свойства; недостаточная эффективность вследствие экранирования поверхности отсеков плавающими испаряющими элементами, препятствующими прогреву воды солнечной радиацией.
Известен пруд-испаритель с системой обогрева воды, состоящей из группы труб, которые плавают или расположены в приповерхностном слое воды и образуют замкнутый контур, объединяющий входы в трубы и выходы из них, подача циркулирующей по системе труб воды осуществляется насосом, а подогрев воды - специальным нагревателем или теплообменником. Температура поверхностного слоя воды увеличивается вследствие теплообмена с системой нагревательных труб, что обеспечивает повышение интенсивности ее испарения (US, Патент №6802360, 2004).
К недостаткам данного пруда-испарителя относится снижение эффективности использования испаряющего действия солнечной и ветровой энергии из-за покрытия поверхности поплавками, удерживающими нагревательные трубы на поверхности водоема, а также ослабление ими турбулентного перемешивания воздушных масс над поверхностью воды ветром.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является пруд-испаритель, который включает открытый водоем, замкнутую систему тепловых труб, часть которых в форме плоского змеевика расположена в придонной части водоема, насос для транспортирования теплоносителя в тепловых трубах и нагреватель. В качестве нагревателя могут применяться устройства, использующие возобновляемые источники энергии (солнечный коллектор), или устройства для сжигания газов (метана), а также тепло от различных производственных процессов и любые другие варианты. В результате постоянного транспортирования прогретой жидкости по системе тепловых труб происходит увеличение температуры воды в пруду-испарителе до 76,7°С, что приводит к увеличению интенсивности испарения с его водной поверхности (US, Патент №6276872, 2001).
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность использования затрачиваемой на нагрев воды энергии в связи с размещением нагревательных элементов на дне пруда и прогревом всей толщи воды. При этом испарение воды происходит только с поверхности пруда. Кроме того, происходит тепловое загрязнение воздушного пространства в зоне, прилегающей к пруду-испарителю.
Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемый пруд-испаритель минерализованного дренажного стока, включающий открытый водоем, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом, замкнутую систему тепловых труб, расположенных в придонной части водоема, насос, нагреватель и энергетическую установку, в котором согласно предлагаемому изобретению водоем разделен на секции, одна из которых, аккумулирующая дренажный сток, разделена на несколько отсеков, подключенных к подводящему каналу и сообщенных с секцией интенсивного испарения дренажных вод, сопряженной в свою очередь с секцией аккумуляции концентрированных рассолов, причем система подогрева воды выполнена из проложенных по дну секции интенсивного испарения перфорированных труб, подключенных к нагревателю воздуха с компрессором, а каждая пара труб снабжена перфорированным гибким экраном, состоящим из двух полотнищ, одна из кромок которых закреплена неподвижно на дне отсека, а вторая зафиксирована на поплавке, и поплавки двух полотнищ соединены упругой гибкой связью, при этом пруд-испаритель снабжен смонтированным на берегу водопроводящим трубопроводом с аэрозольными разбрызгивателями, сообщенным через насосную станцию с секцией интенсивного испарения.
Новый технический результат от применения предлагаемого изобретения состоит в том, что подача нагретого воздуха через толщу воды в виде пузырьков и мелкодисперсное разбрызгивание минерализованной воды над поверхностью пруда-испарителя позволяют в несколько раз увеличить площадь испарения воды. Причем выходящий из воды поток подогретого воздуха замедляет скорость оседания мелкодисперсных капель и обеспечивает испарение их в воздухе, соответственно эффективность использования энергоресурсов резко возрастает. При этом расходование тепла воздуха, выходящего на поверхность пруда, на испарение оседающих мелкодисперсных капель воды позволяет снизить его температуру и уменьшить тепловое загрязнение воздуха в зоне пруда. Разделение секции, аккумулирующей дренажный сток на отсеки, позволяет обеспечить предварительный подогрев дренажной воды до температуры наружного воздуха.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 - принципиальная схема конструкции пруда-испарителя минерализованных дренажных вод, вид в плане; на фиг. 2 - разрез по А-А; на фиг. 3 - разрез по Б-Б; на фиг. 4 - разрез по В-В; на фиг. 5 - гибкий экран в разрезе; на фиг. 6 - гибкие экраны вид сверху; на фиг. 7 - узел Г на фиг. 5.
Пруд-испаритель минерализованного дренажного стока гидромелиоративных систем подключен к подводящему каналу 1 с перегораживающим сооружением 2 и включает входное сооружение 3, вододелитель 4 с водовыпусками 5, 6, 7. Водовыпуск 7 связывает вододелитель 4 с секцией 8, которая разделена на отсеки 9, 10 и 11 перемычками 12, 13 с водовыпусками 14 и 15. Секция 16 интенсифицированного испарения дренажных вод, секция 8 и секция 17 для аккумуляции концентрированных рассолов соединены регулирующими сооружениями 18 и 19 между собой. Насосная станция 20 оборудована водозаборами 21, 22 и 23 из секций 8 и 17 и водовыпуском 24 в секцию 16. Пруд-испаритель имеет также энергетическую установку 25, обеспечивающую энергией калорифер 26 для нагрева воздуха и компрессор 27 для подачи воздуха по коллектору 28 в перфорированные трубопроводы 29, расположенные на дне секции 16 и снабженные перфорированными гибкими экранами 30. К насосной станции 20 подключена закрытая оросительная сеть из трубопроводов 31, 32 и 33 с гидрантами 34 и аэрозольными разбрызгивателями 35. Секция 16 снабжена датчиками глубины наполнения (на чертеже не показаны), электрически связанными с системой управления насосной станцией 20.
Подводящий канал 1 имеет противофильтрационное покрытие (на чертеже не показано) и занимает командное положение по отношению к секциям 8, 16 и 17.
Пруд-испаритель функционирует следующим образом.
В период образования дренажного минерализованного стока на гидромелиоративных системах (апрель-октябрь для зоны орошаемого земледелия Юга Европейской части России) дренажные воды поступают в подводящий канал 1, при этом перегораживающее сооружение 2 полностью или частично закрыто, а входное регулирующее сооружение 3 открыто. Через вододелитель 4 и его водовыпуски 5, 6 и 7 происходит заполнение секции 8 последовательно во времени по отсекам 9, 10, 11.
После заполнения отсека 9 секции 8 насосная станция 20 через водозабор 22 и водовыпуск 24 заполняет секцию 16 дренажной водой до заданного максимального уровня, о достижении которого система управления насосной станции 20 получает сигнал от датчика верхнего уровня (на чертеже не показан). В результате всплытия поплавков 38 происходит разворачивание экранов 30 над воздушными перфорированными трубопроводами 29. Гибкая связь 39 позволяет задать необходимое расстояние между полотнищами экрана 30 в зависимости от глубины заполнения секции 16. Начинается процесс испарения дренажной воды с поверхности секции 16 за счет прогревания ее солнечными лучами. Для интенсификации этого процесса энергетическая установка 25 подает электроэнергию на калорифер 26 для нагрева воздуха и компрессор 27, который нагнетает нагретый воздух через коллектор 28 и систему перфорированных трубопроводов 29 в воду, осуществляя ее аэрацию и прогрев. Воздух, имеющий температуру +25-30°С и относительную влажность 25-30% (7 г/м3 влаги), проходя через калорифер 26, нагревается до +70-80°С, при этом его относительная влажность снижается до 10-15%. Проходя через толщу дренажной воды, воздух активно насыщается парами влаги и на выходе при температуре +40 50°С и относительной влажности 70% содержит 25 г/м3 влаги. Наличие над каждой парой перфорированных трубопроводов 29 гибкого экрана 30 с перфорацией 36 обеспечивает более продолжительный контакт пузырьков воздуха с водой и более интенсивный теплообмен между ними, более полное насыщение влагой. Гибкая связь 39 позволяет компенсировать давление воздуха, скапливающегося под полотнищами экрана 30, снижая скорость его подъема к поверхности. Одновременно насос 20 забирает нагретую воду из секции 16 и подает по трубопроводам 32 к гидрантам 34 в аппараты аэрозольного разбрызгивания 35, установленные на гидрантах 34. Аппараты 35 разбрызгивают подогретую воду из секции 16 на высоте 10-15 м в виде капель размером 100-200 мкм. Скорость падения таких капель составляет порядка 0,18 м/с, время свободного падения с высоты 10 м до поверхности воды около минуты, однако восходящий поток теплого воздуха из секции 16 замедляет падение капель и ускоряет процесс их испарения, поэтому значительная часть капель полностью испаряется, превращаясь в крупинки соли.
В результате испарения воды из секции 16 происходит снижение глубины ее заполнения. При достижении заданной минимальной отметки уровня водной поверхности в секции 16 по сигналу датчика уровня включается насосная станция 20, и происходит закачка предварительно нагретой солнцем воды из отсека 11 секции 8 до заданной максимальной отметки заполнения секции 16. Затем насосную станцию 20 отключают. Описанный выше цикл повторяют в течение всего сезонного периода работы гидромелиоративной системы.
После опорожнения отсека 11 секции 8 насосная станция 20, используя водозабор 21, осуществляет подачу воды в секцию 16 из отсека 10. В этот период времени дренажный сток поступает в отсек 9 или 11 для предварительного естественного нагрева. Наличие нескольких гидравлически связанных между собой водовыпусками 14 и 15 отсеков 9, 10, 11 секции 8 позволяет осуществлять предварительный прогрев дренажной воды до температуры окружающего воздуха перед ее подачей в секцию 16.
При увеличении минерализации воды в секции 16 до верхнего предельного значения подача дренажного стока из секции 8 насосной станцией 20 прекращается, а рассол из секции 16 через регулирующее сооружение 18 поступает в секцию 17. Затем откачка воды из секции 8 в секцию 16 возобновляется по описанной выше технологии. Рассол в секции 17 подвергается дальнейшему концентрированию до рапы или солей в результате естественного испарения.
Таким образом, реализация предложенной конструкции пруда-испарителя минерализованного дренажного стока позволяет повысить эффективность использования энергоресурсов, затрачиваемых на нагрев минерализованных дренажных вод, и тем самым повысить эффективность их испарения, а также снизить тепловое загрязнение воздушного пространства на территориях, прилегающих к месту расположения пруда-испарителя.
Пруд-испаритель минерализованного дренажного стока, включающий открытый водоем, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом, замкнутую систему тепловых труб, расположенных в придонной части водоема, насос, нагреватель и энергетическую установку, отличающийся тем, что водоем разделен на секции, одна из которых, аккумулирующая дренажный сток, разделена на несколько отсеков, подключенных к подводящему каналу и сообщенных с секцией интенсивного испарения дренажных вод, сопряженной в свою очередь с секцией аккумуляции концентрированных рассолов, причем система подогрева воды выполнена из проложенных по дну секции интенсивного испарения перфорированных труб, подключенных к нагревателю воздуха с компрессором, а каждая пара труб снабжена перфорированным гибким экраном, состоящим из двух полотнищ, одна из кромок которых закреплена неподвижно на дне отсека, а вторая зафиксирована на поплавке, и поплавки двух полотнищ соединены упругой гибкой связью, при этом пруд-испаритель снабжен смонтированным на берегу водопроводящим трубопроводом с аэрозольными разбрызгивателями, сообщенным через насосную станцию с секцией интенсивного испарения.
