CN103857856B - 具有高流量旁路的流体流液力分离器 - Google Patents

Abstract

一种用于从地表水的流动流中分离废物材料的***，包括竖直圆柱形容器（300）和在所述圆柱形容器内的竖直结构（330）。该竖直结构包括溢流结构，其具有堆叠的过滤元件（235、240）和堰（222、224），其被定尺寸成适应正常的和因为异常高的地表水流量情况的增加的流体流量。在正常流量情况下含有废物材料的流动流进入容器，并穿过竖直结构下段中的过滤壁部（332），并且通过流出物管（321）离开。在较高的流量条件下，水流动通过安装在下圆柱形结构顶部上的溢流结构，该结构还将废物材料中的一些在排出到流出物管之前从地表水流中过滤。

Description

具有高流量旁路的流体流液力分离器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月19日提交的美国临时申请61/525650的权益。

技术领域

本发明涉及液力分离器单元，其设计用于在正常和异常的高流体流量情况下从流入并通过该单元的地表水流体流中分离固体物质。

背景技术

现有技术的液力分离器的一个示例在美国专利5788848专利中示出。这个专利示出一种***，其包括内部和外部的非同心圆柱体，该内部圆柱体包括筛部分（筛式分离器）。含碎片的流被供给到所述内部圆柱形筛式分离器内的内部空间；其中所含有的材料被保留在内部圆柱体的内部和下方，而该流体从所述内部筛式圆柱体内侧流到内部和外部圆柱体之间的环形空间，并且从包围外部腔而离开。

美国6241881公开了类似的圆柱形废物分离器，在其上部分上包括用于加载的流入物的入口和用于清洁流出物的出口。该分离器包括圆柱形部分，其下部部分包括篮状物。含有固体物质的流入流以旋转运动的方式流入篮状物上方圆柱形部分内侧的区域。尺寸大于篮状物中的网孔开口尺寸的固体物质被保留在圆柱体内并且在圆柱体下端处的篮状物中，并且具有小于网孔开口的固体物质的流体（被称作清洁流出物）向外穿过篮状物和圆柱体壁。进入包围篮状物和圆柱体的***区域的清洁流出物然后向上流入出口管中。

这些布置具有堵塞的缺点，这是由于保留的废物材料（例如塑料袋、瓶子、叶子等）能够靠着筛的内壁积累，其导致打漩的流入流仅穿过筛的上部分，其继而使流入流只流动通过篮状物的上部分。因此，阻塞篮状物壁的大量废物减少了通过篮状物的液体的流动能力和分离效率，并且流入流趋于绕过分离器并通过溢流堰直接流到出口。

美国专利6641720示出了一种分离器，其具有邻近面板中的开口的多个伸出段，每段都在各自开口的上游的位置处从面板的表面延伸，以便伸到流体流动路径中，以对在筛上方流动的液体形成基本闭合的表面，意图是防止筛中的开口堵住。

用于城市和工业流出物的可选的液力分离器在EP公开申请2181748中示出，其全部内容通过参考引入本文，这种液力分离器包括槽，该槽具有位于中间的圆柱形腔，该圆柱形腔在由圆柱形腔限定的空间内具有由膨胀或穿孔金属制成的圆筒筛。在这些分离器中，流入分离器的流体在槽中在圆柱形腔外部的空间中循环。废物被约束在气旋状的涡流中，该涡流形成在槽中但是在筛式圆柱体外侧，并且向下移动到槽的底部，而清洁的流体流动通过圆柱体的膨胀金属筛的侧表面，并且从位于中间的筛式腔的底部离开。

***的流出物流的旋转有助于避免废物或颗粒在筛上沉积，以便该筛网保持不阻塞。

发明内容

用于分离颗粒物质和固体废物（特别是地表水的流动流中的大尺寸颗粒）的单元包括圆柱形过滤结构，流出物流在其上流动。该过滤结构将不能通过过滤结构的特定尺寸的固体废物从清洁流中分离，该清洁流流动通过过滤器到达下游的出口腔，将保留的固体废物清洁脱离的流出物流从该出口腔排出。尺寸小于筛圆柱体的孔隙的固体废物颗粒也可以通过在流动情况下固有的漩涡集中、涡流分离和颗粒沉积过程而获取。该过滤结构由筛、入口腔和出口腔组成，该筛设计用于由流动流穿过，入口腔和出口腔二者包含在槽中。不能通过过滤结构的大尺寸固体废物被收集在入口腔的底部。该分离器单元还包括其顶部上的结构，该结构被设计为转移超过分离器的设计容量的超出的流体流量。这个内部旁路结构由附加过滤结构和溢流堰的组合构成，以过滤并引导超过主过滤筛圆柱体设计容量的非常大的流的旁路。这个旁路结构提供了大旁路流的筛选处理，以及漂浮固体的阻挡保留。

附图说明

图1是示出EP 2181748中所述的液力分离器的竖直轴向横截面，并且图2是水平横截面。

图3是包括本发明特征的分离器的竖直轴向剖视图。

图4是由图3的圆形B包围的图3部分的放大图。

图5是沿着图3的线5-5的分离器获得的俯视图。

图6是示出图4中所示的旁路***的左侧以及在高流量情况期间通过该左侧的流体的流动路径的示意图。

图7是在溢流结构放置之前的图3的分离器的竖直剖面透视图。

图8是沿着图7的线8-8截取的分离器的俯视图。

具体实施方式

本文中描述并示出液力分离器，其用于从液体地表水流（例如含有废物材料的城市和工业暴雨径流）中分离固体物质。这种结构通常用于在更精细处理过程能够应用到流动流之前，将流入流中的碎片分离。分离器10（示出在图3-6中）包括上延伸部分12，在本文中称作四边形旁路塔（Quad Bypass Tower）。此构造是现有技术结构（例如图1和2中所示）之上的改进。

参考图1，阻挡板333包括固体壁的空心圆柱体，其被安装在主筛圆柱体332的顶部上，该主筛圆柱体332能够通过膨胀、穿孔、冲压、开槽或其它形式而制成多孔，以提供筛材料。此圆柱体的顶部的升高度被设置成，使得在流动跨过旁路堰344的所期望水面升高度之上存在大约1到2英尺的相对高度，其在分离转移拱顶340中。图1和2中示出的转移堰结构包括溢流堰板344。在正常流量情况下，该堰板将流转向到槽300中。然而，在高流量的情形中，该流量一部分从溢流堰344上方通过，并且未经过滤被直接排放到排出腔349，并且之后到达流出物排放口350。

分离器由通过槽限制的液力体积组成，该槽具有用于含有废物的流入物流的入口和用于大颗粒被去除的流出物流的出口。

为了实现分离，该分离器被筛分为入口腔和出口腔，该筛被设计为保留大颗粒，其聚集在筛的前面或分离器的底部。筛的清理通过流出物流在分离器内侧的循环移动来实现。清洁流出物在不干扰所述筛的情况下流动通过所述筛并且在出口处排出。

该膨胀、穿孔、冲压或开槽的筛具有平滑的金属分离面（例如不锈钢），其中开口从其中穿过。筛的表面被竖直安装在槽的内侧。

沿着分离面流动的流出物流引起该流的圆周运动，并且较大尺寸的废物（即重的固体）被以圆周运动向中心运送，以下降到筛下方的分离器的底部。通过漩涡集中、涡流分离和沉积，尺寸小于筛圆柱体孔隙的固体废物颗粒也能够随着较大颗粒被获取。

图7和8示出了在包括上延伸部分12并包括本发明特征之前的液力分离器10，其类似于图1和2中所示的。如图3中示出并且图4中更好示出的，图7和8的液力分离器关于图1和2的主要差别是：固体壁圆柱形分隔阻挡板133的顶部被配置用于增加上延伸部分12（四边形旁路塔）。该上延伸部分12允许大的流量绕过分离/筛选腔（例如图6中所示），而仍接受筛选和阻挡处理。在图1和2中，高流量将绕过溢流堰344上方（该溢流堰344位于分离器10上游的分离结构中），并且这些旁路流将不接受筛选或阻挡处理。四边形旁路塔12允许液力分离器10被直接放置在管线定线（alignment）中，并且直接在流动路径中，而无需现有技术结构正确操作所需的分离的上游堰结构（其使围绕该单元的高流动速率转移）。

大型设备（例如市政设备）需要分离结构以转移处理流。另一方面，该四边形旁路塔12适于具有中-到-小流量并且具有限定尺寸流域的区域中的设备。该旁路塔12允许这种设备适应来自25、50或100年暴雨事件的规划流量。

参考图1、2、7和8，该分离器包括具有圆形横截面的圆柱形处理槽300、100，所述圆柱形处理槽300、100具有圆柱形状的分隔阻挡板330、130，其安装在处理槽300、100体积内的中心。该分隔阻挡板330、130包括固体壁下部分334、134，在所述下部分顶部的圆柱形分离筛332、132，和在包围内部通道320、120的分离筛332、132顶部的固体壁圆柱形分隔阻挡板333、133。

由下部部分334、134、筛332、132和上部333、133形成的组件将处理槽300、100再分为接收加载的流出物的外部入口腔310、110和清洁流出物由此排出的内部出口腔320、120。该内部腔320、120通过管321、121连接到流出物排放口，管321、121从内部腔320、120的底部开口。该流出物排放管321、121也用作出口虹吸管，其将流动通过筛332、132的经过滤液体中的极精细悬浮颗粒的沉积最小化，以免在流动路径的此部分积聚。

该管321、121向着排出腔349的底部开口，其位于输入通道341、141的下方，流通过该输入通道341、141被送入到处理槽300、100。含有废物材料的流入物流相继流动通过流入物排放口341、141到达转移堰方框340，然后如图2中箭头所指示的正切地到达槽300、100。然后，该流入物流在外部腔310、110内侧的漩涡中随着由两个箭头F301指示的旋转方向流动。作为旋转流动的结果，流入物流中的废物从筛332、132的外表面清洗掉。这允许清洁流出物流动通过筛，从而使***空间中的宏观废物留在圆柱形筛的表面外侧，并且清洁流出物随后通过内部腔320、120排放，并且通过流出物排放口321、121排出。

典型地，该液力分离器分别具有大约0.3至大约10米的直径，并且具有大约0.6至15米的高度。槽300的罩301上的进入孔302提供到外部单元310中并且还到筛332外部的进入。

在先前的设计中（例如在美国专利US 6241881中），加载的流入物流流到由筛包围的空间，并且通过向外通过筛而过滤，以便去除的固体材料容易装满圆柱形筛内部的空间。在当前分离器中，该送入流被送到筛的外侧，并且该流在筛的外表面周围，流入流通过该筛以提供经过滤流，所述经过滤流从圆柱形筛内部的空间离开。

参考图3、4和6，下面描述在单元中经筛选、阻挡并绕过的流，该单元包括暴露于高流体流量的四边形旁路塔。该增强使得高流体流量绕过主过滤***，而仍在单个检修孔（manhole）结构中被处理，使其比例如图1和2所示的现有可用的检修孔单元或者例如在上述现有技术中所示的内侧到外侧流分离器更为通用。下面提到的流在图6中最好地示出。通过四边形旁路塔的该经筛选流的液力情况使得堵塞最小化。

在优选实施例中的四边形旁路塔包括第一过滤结构筛235，优选地金属筛，其附连到阻挡板333顶部的基座202。在该第一过滤结构之上为第二过滤结构，在优选实施例中该第二过滤结构包括向上延伸的间隔分开的棒。在进一步优选实施例中，这些棒以圆锥方式布置。在第二过滤结构之上为圆柱形竖直壁222，该圆柱形竖直壁222用作第一堰，以便多余的流体输入跨过其顶部流动。直径大于圆柱形竖直壁222直径的圆柱形悬挂阻挡板224在圆柱形竖直壁222顶部之上和之下都延伸。该圆柱形悬挂阻挡板224也用作堰，更大的多余输入流体跨过其顶部流动以适应极高的旁路流量情况。尽管第一过滤结构235和第二过滤结构240被分别示为金属筛和棒筛，但是本领域技术人员将认识到其它可选的过滤结构能够利用。意图是提供过滤功能，以在溢流情况中去除至少一部分废物材料，同时允许相同或更大流量的清洁（即，含有较少废物）流通过过滤结构并从内部腔320、120进入位于中间的出口。例如，筛、网孔、棒或多孔流动屏障的任意组合能够被使用。

如果发生高流量情况，第一旁路流200通过安装在基座202上的第一过滤结构（穿孔、冲压、开槽或膨胀的金属筛）235。其用作非堵住筛网，像如上所述的下圆柱体中的主分离筛132。

随着流量增加，第二旁路流210通过第二过滤结构（棒筛）240。棒筛240能够包括竖直取向的间隔分开的棒，但是在优选布置中，其如图中所示被配置为圆锥体。第二旁路流210旨在随着流入物流动速率增加而处理更大量的流体。因为棒筛容易导致废物材料靠着其表面而别住（pin），该别住的倾向性通过在圆锥配置中将棒放置在向下倾斜的角度处来减轻。通过该配置，被捕获的材料容易向下滑离棒表面。

随着流量进一步增加，未经筛选的第三旁路流220被允许溢出跨过圆柱形竖直壁222（用作堰）的顶部223，并进入内部腔120的中心。然而，一些废物阻塞由圆柱形悬挂阻挡板224提供，其保留漂浮物，并且也用作另一个堰。

如果遇到非常高的流量，旁路流230发生。该流继续未经过滤，在圆柱形悬挂阻挡板224的顶部外部向上，并且然后跨过该顶部，并进入内部腔120。在这个流量情况下，第一、第二和第三旁路流200、210、220为最大流量，并且全部的流量都进入该内部腔120的中心。

该分离器10也可以配置成包括排出管（未示出），其通过单元的壁，其入口定位在与该悬挂阻挡板顶部相等的高度。该附加排出管的包括物受液力情况的支配，并且该附加的排出管旨在仅在最严重的流量情况下排出流体，其中最严重的流量情况远远超出分离器10的正常设计容量。

该***的各种部件有关于彼此被定尺寸，以使可接受的流通过该***，而无任何内部流阻塞。参考图4（没有尺寸精确地画出，而是用于容易地说明该特征），下面的尺寸被作为第一实施例的示例而提供，其具有24 "内径入口管，并且不意图作为对本公开范围的限制。

参考图6：

d₀ = 入口管345的直径（Φ） 24 in

d₁ = 筛圆柱体235的直径（Φ） 20 in

d₂ = 棒筛圆柱体240的顶部直径（Φ） 28 in

d₃ = 圆柱形悬挂阻挡板224的直径（Φ） 34 in

h₁ = 筛圆柱体235的高度 8 in

h₂ = 棒筛圆柱体240的高度 8 in

h₃ = 圆柱形竖直壁222的高度 20 in

h₄= 圆柱形竖直壁222的陷入深度 20 in

h₅ = 悬挂屏障圆柱体224的高度 20 in

穿孔、冲压、开槽或膨胀的筛的开口面积（α） 0.33%,

圆锥棒筛的开口面积（β） 0.5%

第一旁路流动速率200，（Q） 10.15 ft³/s

圆柱形溢流堰222的圆周堰长度，（L= π·d₂） 7.33-ft,

q = 1.385(ft³/s)/ft, = Q/L，(单位堰流量)

D_c =0.390-ft, (q²/g)^1/3（圆形溢流堰的临界深度） =4.7-in

H_m =0.586-ft, 3/2·D_c，圆形溢流堰上方的最小液力头部=7.0-in。

当可以被规划用于25、50和100年的暴雨事件并且代表用于四旁路***的一组可能的尺寸时，本领域技术人员基于本文的教导能够容易地基于更多或更少正常流量情况和超出的流量来调整这些尺寸。

本领域技术人员将认识到，本文中所阐述的公开不限于本文中所示或所述的具体实施例。还应认识到，本文中所述的旁路***不限制于外侧到内侧流动的液力分离器，也能够容易地适合于增加到现有技术中所示的内侧到外侧的流动结构中，例如如上所述。

Claims (6)

1.一种用于从地表水的流动流分离废物材料的***（10），所述***包括竖直圆柱形容器（12）和位于所述圆柱形容器（12）的内壁之内并且与其间隔的竖直圆柱形结构（332，333），所述***被定尺寸成适应规划的正常流体流量，并配置成使得包含进入所述容器（12）的废物材料的流动流：

a. 流动到在所述圆柱形容器（12）的内壁和位于其中的所述圆柱形结构之间的***空间中，

b. 所述流动流穿过所述圆柱形结构的穿孔壁部分，并且

c. 通过位于被包围在所述圆柱形结构内的中央空间的下部部分处的流出物管而离开，

所述***还包括安装在所述圆柱形容器（12）内并且在所述圆柱形结构（332，333）的顶部部分上的溢流结构（235，240，222，224），所述溢流结构包括一个或多个向上延伸的溢流过滤结构（235，240）和一个或多个堰（222，224）的组合，所述一个或多个向上延伸的溢流过滤结构和一个或多个堰的组合被定尺寸成接收超出所述规划的正常流体流量的流量并从所述超出的流量过滤所述废物材料的至少一部分，并且被定尺寸成将这种超出的流量引导到所述流出物管（321），其中：

a. 在超出所述规划的正常流体流量的第一增加流动速率下，流量的增加的量穿过第一溢流过滤结构（235），

b. 在超出所述第一增加流动速率的第二增加流动速率下，流量的第二增加的量穿过第二溢流过滤结构（240），

c. 在超出所述第二增加流动速率的第三增加流动速率下，流量的第三增加的量跨过第一堰（222），

以便超出进入所述***（10）的所述规划的正常流体流量的全部流体流量穿过所述溢流结构（235，240，222，224），并且通过流出物管（321）而离开所述***（10），

其特征在于

d. 在超出所述第三增加流动速率的第四增加流动速率下，流量的第四增加的量跨过第二堰（224）， 其中，所述第二堰（224）包括圆柱形屏障，所述圆柱形屏障在第一堰（222）的顶部之上和之下延伸，第二堰（224）具有比所述第一堰（222）的直径（d₂）更大的直径（d₃），以便在所述第二堰（224）的外部和内部都存在流动通道（230，220），所述内部的流动通道（220）在所述第一堰（222）的外部。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述一个或多个向上延伸的溢流过滤结构（235，240）包括过滤筛（235）或间隔分开的棒的屏障（240）。

3.根据权利要求2所述的***，其中，所述一个或多个向上延伸的溢流过滤结构（235，240）包括两个过滤结构（235，240），第一溢流过滤结构（235）包括穿孔金属筛，并且第二溢流过滤结构（240）包括间隔分开的棒的开口屏障。

4.根据权利要求3所述的***，其中，所述第一溢流过滤结构（235）包括竖直取向的圆柱形金属筛。

5.根据权利要求3所述的***，其中，所述第二溢流过滤结构（240）包括以圆锥配置而布置的间隔分开的棒的开口屏障，所述圆锥配置的顶部直径（d₂）大于所述圆锥配置的底部直径（d₁）。

6.根据权利要求1所述的***，其中，第一堰（222）包括圆柱形屏障，所述圆柱形屏障安装到所述第二溢流过滤结构（240）的顶部。