RU2135839C1 - Energy-saving water and air lift - Google Patents

Abstract

FIELD: agricultural water supply, fire-fighting and irrigation. SUBSTANCE: rotational water lift has air hood, water lifting tube and water-wheel which sets shaft in rotation by action of incoming flow of water in open course through blades. Shaft is connected to compressor via reduction gear. Pit is made in bottom of open flow to enhance efficiency of action of water and air lift. Water and air tube with injector and filter is positioned in pit. Air from compressor is fed through receiver to injector to form mixture. EFFECT: simplified design, facilitated manufacture and provision for uninterrupted operation of water and air lift without complex attendance with increased efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к применению водной энергии открытых потоков для осуществления работы водовоздушных подъемников и может быть использовано для сельскохозяйственного водоснабжения, орошения и пожаротушения. The invention relates to the use of open-source water energy for operating water-air lifts and can be used for agricultural water supply, irrigation and fire fighting.

Известны водовоздушные подъемники (эрлифты), применяемые в водоснабжении для подъема вод из глубоких скважин (Д.С.Циклаури. "Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки". Изд. лит-ры по стр-ву. М., 1970, с. 152-154, рис. 11.39, 11.40). Known water-air lifts (airlifts) used in water supply for lifting water from deep wells (D.S. Tsiklauri. "Hydraulics, agricultural water supply and hydraulic power plants." Publishing literature on str. M., 1970, p. 152-154, Fig. 11.39, 11.40).

Эрлифт включает в себя электродвигатель, компрессор, ресивер, водовоздушную и воздушную трубы, форсунку, сборный резервуар и отражатель. Действие эрлифтов основано на физическом законе равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах. Силой от плотностной неоднородности жидкостей водовоздушная смесь поднимается на водовоздушной трубе на поверхность, за счет водоотражателя воздух отделяется от воды и она собирается в сборном резервуаре. Airlift includes an electric motor, a compressor, a receiver, water and air pipes, a nozzle, a collection tank and a reflector. The action of airlifts is based on the physical law of equilibrium of fluids in communicating vessels. By force from the density inhomogeneity of liquids, the air-water mixture rises to the surface on the water-air pipe, due to the water deflector, the air is separated from the water and it is collected in a collection tank.

Недостатком таких водоподъемников является низкий КПД. Применение их для подъема водоисточников нерационально, так как связано с дальнейшим уменьшением КПД установки. Уровень потока открытых русел несопоставим с динамическим уровнем воды в скважинах. При наличии электрической энергии для подачи воды из открытых водоисточников применяются не эрлифты, а насосные станции с динамическими и объемными насосами. Эрлифт не является энергосберегающим водоподъемником. The disadvantage of such a water lift is its low efficiency. Their use for raising water sources is irrational, since it is associated with a further decrease in the efficiency of the installation. The level of the flow of open channels is not comparable with the dynamic water level in the wells. In the presence of electric energy, not airlifts, but pumping stations with dynamic and volume pumps are used to supply water from open water sources. Airlift is not an energy-efficient water lift.

Известен энергосберегающий ротационный водоподъемник, являющийся прототипом данного технического решения (приводимый выше источник информации, с. 155-157, рис. 11.41). Водоподъемник содержит каркас цилиндрической формы, жестко соединенный с валом. На каркасе навита спиральная труба с несколькими витками. Один конец трубы (открытый) представляет собой оголовок, через который осуществляется водозабор из реки или канала. Второй конец трубы помещен в сальник и соединяется колпаком. На валу водоподъемника насажено водяное колесо, которое при помощи лопаток и набегающего потока приводит спиральную трубу во вращательное движение. Водовоздушная труба работает как эрлифт. Known energy-saving rotary water lift, which is the prototype of this technical solution (the above source of information, S. 155-157, Fig. 11.41). The water lift comprises a cylindrical frame rigidly connected to the shaft. A spiral pipe with several turns is wound on the frame. One end of the pipe (open) is the head through which water is drawn from a river or canal. The second end of the pipe is placed in an oil seal and is connected by a cap. A water wheel is mounted on the shaft of the water lift, which, with the help of blades and an incoming flow, leads the spiral pipe into rotational motion. A water pipe works like an airlift.

Недостатком таких водоподъемников является низкая подача и напор, как следствие низкий КПД. Водовоздушная труба непосредственно не связана с открытым потоком. Ограниченное количество воды подается от спиральной трубы через сальник, колпак и форсунку. Воздух подается в спиральную трубу вместе с водой и далее направляется также в колпак. Степень сжатия воздуха несопоставима со сжатием воздуха при работе компрессора. The disadvantage of such a lift is the low flow and pressure, as a result of low efficiency. The air pipe is not directly connected to the open flow. A limited amount of water is supplied from the spiral pipe through the stuffing box, cap and nozzle. Air is supplied to the spiral pipe with water and then also sent to the hood. The degree of air compression is not comparable with air compression during compressor operation.

Задача изобретения - повышение КПД энергосберегающего водовоздушного подъемника (эрлифта). The objective of the invention is to increase the efficiency of energy-saving water-air lift (airlift).

Поставленная задача достигается тем, что для повышения КПД энергосберегающего водоподъемника (эрлифта) в дне русла изготовлен колодец, в котором размещена водовоздушная труба для забора воды и подъема водовоздушной смеси с форсункой и фильтром, а действие спиральной трубы и колпака заменено известными конструкциями компрессора, приводимого в действие через редуктор от вала водяного колеса и ресивером. Для повышения кинематической энергии потока воды перед водяным колесом использован обтекатель. The task is achieved in that in order to increase the efficiency of the energy-saving water lift (airlift), a well was made in the bottom of the channel, in which a water-air pipe was placed for water intake and lifting the air-water mixture with a nozzle and filter, and the action of the spiral pipe and cap was replaced by the well-known compressor designs driven in action through a reducer from a water wheel shaft and a receiver. A cowl was used to increase the kinematic energy of the water flow in front of the water wheel.

Изобретение поясняется схемой фиг. 1, 2. На фиг 1 показан боковой вид водовоздушного подъемника; на фиг. 2 - то же, вид в плане. The invention is illustrated in the diagram of FIG. 1, 2. FIG. 1 shows a side view of a water-air lift; in FIG. 2 - same, plan view.

Водовоздушный подъемник включает в себя водяное колесо 1, лопатки 2, вал 3, редуктор 4, компрессор 5, ресивер 6, кран 7, гибкий шланг 8, форсунку 9, водовоздушную трубу 10, фильтр 11, колодец 12, приемную емкость с трубопроводом 13, резервуар 14, пoнтон 15, груз (якорь) 16, трап 17, опору 18, обтекатель 19, фиксатор 20, тормозной шкив 21. На фиг. 1 приведены индексы: H - глубина погружения форсунки от уровня излива водовоздушной смеси; h - высота от уровня воды в открытом потоке до уровня излива водовоздушной смеси. The water-air lift includes a water wheel 1, blades 2, a shaft 3, a reducer 4, a compressor 5, a receiver 6, a crane 7, a flexible hose 8, a nozzle 9, a water pipe 10, a filter 11, a well 12, a receiving tank with a pipe 13, reservoir 14, pontoon 15, load (anchor) 16, ladder 17, support 18, fairing 19, retainer 20, brake pulley 21. In FIG. 1 the indices are shown: H - depth of immersion of the nozzle from the level of the spout of the air-water mixture; h is the height from the water level in the open stream to the level of the spout of the air-water mixture.

Энергосберегающий водовоздушный подъемник (эрлифт) работает следующим образом. Водяное колесо 1 с лопастями 2 и валом 3 смонтированы на понтонах 15. Здесь же установлены редуктор 4, компрессор 5, ресивер 6. Понтон 15 расположен на поверхности движущегося потока воды и фиксируется грузами 16. Под действием кинетической энергии потока на лопатки 2 вал 3 приходит во вращение, которое через редуктор 4 передается компрессору 5. Сжатый воздух подается в ресивер 6, где происходит отделение паров масел, образующихся при работе компрессора. Открыванием крана 7 сжатый воздух по гибкому шлангу 8 передается к форсунке 9, представляющей собой наконечник с отверстиями (не показан). За счет форсунки 9 сжатый воздух в виде пузырьков равномерно смешивается с водой в водовоздушной трубе 10. Energy-saving water-air lift (airlift) operates as follows. A water wheel 1 with blades 2 and a shaft 3 is mounted on pontoons 15. A gearbox 4, a compressor 5, and a receiver 6 are also installed here. The pontoon 15 is located on the surface of a moving water stream and is fixed by loads 16. Under the influence of the kinetic energy of the flow, the shaft 3 comes to the blades 2 in rotation, which is transmitted through the gearbox 4 to the compressor 5. Compressed air is supplied to the receiver 6, where the oil vapor generated during compressor operation is separated. By opening the valve 7, compressed air is transmitted through a flexible hose 8 to the nozzle 9, which is a tip with holes (not shown). Due to the nozzle 9, the compressed air in the form of bubbles is uniformly mixed with water in the water-air pipe 10.

Нижний конец водовоздушной трубы 10 оборудован фильтром и размещен в колодце 12. Вода в водовоздушную трубу 10 подается из окружающей среды потока, предварительно очищаясь от мелких механических примесей в фильтре 11. Пузырьки воздуха, образовавшиеся в форсунке 9, перемешиваясь с водой, образуют водовоздушную смесь, плотность которой ниже, чем плотность воды, окружающей водовоздушную трубу 10. Имеют место сообщающиеся сосуды. С одной стороны "сосуд" с высотой столба воды от уровня воды в потоке до фильтра 11, с другой стороны - уровень водовоздушной смеси от форсунки 9 до уровня изливания смеси из водовоздушной трубы 10. На основании известного закона равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах воздушные пузырьки, перемещаясь вверх, способствуют подъему воды и изливанию ее в приемную емкость с трубопроводом 13, где происходит разделение воды и воздуха. После этого вода самотеком поступает в резервуар 14 для последующего использования в хозяйственных целях. The lower end of the water-air pipe 10 is equipped with a filter and placed in the well 12. Water is supplied to the water-air pipe 10 from the environment of the stream, having previously been cleaned of small mechanical impurities in the filter 11. The air bubbles formed in the nozzle 9, mixed with water, form a water-air mixture, the density of which is lower than the density of the water surrounding the air pipe 10. There are communicating vessels. On the one hand is a “vessel” with a column of water from the water level in the stream to the filter 11, on the other hand, the level of the air-water mixture from the nozzle 9 to the level of the mixture pouring out of the air-pipe 10. Based on the known law of equilibrium of liquids in communicating vessels, air bubbles moving upwards, they contribute to the rise of water and its pouring into a receiving tank with a pipe 13, where water and air are separated. After that, the water flows by gravity into the tank 14 for subsequent use for economic purposes.

Приемная емкость с трубопроводом 13 удерживается опорой 18. Для перемещения обслуживающего персонала устроен трап 17. The receiving tank with the pipe 13 is held by a support 18. A ladder 17 is arranged to move the maintenance personnel.

Из приводимого выше источника информации известно, что эффективная работа водовоздушного подъемника (эрлифта) связана с глубиной погружения форсунки 9 и характеризуется коэффициентом погружения форсунки, определяемого по формуле
K = H/h,
где H - глубина погружения форсунки 9 от уровня излива водовоздушной смеси (см. фиг. 1); h - высота от уровня воды в открытом потоке до уровня излива водовоздушной смеси (см. фиг 1).From the above source of information it is known that the effective operation of a water-air lift (airlift) is associated with the immersion depth of the nozzle 9 and is characterized by the nozzle immersion coefficient, determined by the formula
K = H / h,
where H is the immersion depth of the nozzle 9 from the level of the spout of the air-water mixture (see Fig. 1); h is the height from the water level in the open stream to the level of the spout of the air-water mixture (see Fig. 1).

Необходимая глубина погружения форсунки H устанавливается опытным путем в зависимости от КПД эрлифта η_эрл который связан с коэффициентом погружения форсунки "K". При малых значениях "K" требуется увеличенный расход воздуха и снижается η_эрл. Решающим фактором выбора варианта является КПД водоподъемника. При изменении K=1,5-3 КПД изменяется от 0,3 до 0,59 (Н.М.Герсеванов "Теория движения воздуха и воды в применении к эрлифтам". Изв. АН СССР, отд. техн.наук, N 10, 1942 г. Я.С.Суреньянц, "Эрлифты" Стройиздат, 1940).The necessary immersion depth H of the nozzle is established empirically depending on the efficiency of the airlift η _earl which is related to the immersion coefficient of the nozzle "K". At small "K" values, an increased air flow rate is required and η _erl is reduced. The decisive factor in choosing an option is the efficiency of the water lift. With a change in K = 1.5-3, the efficiency varies from 0.3 to 0.59 (N. M. Gersevanov "Theory of the movement of air and water as applied to airlifts". Izv. AN SSSR, department of technical science, N 10 , 1942 Ya.S. Surenyants, "Airlifts" Stroyizdat, 1940).

Таким образом, устройство колодца 12 с размещением в нем форсунки 9 позволяет увеличить высоту "H" при постоянном значении высоты "h", что приводит к увеличению "K" (см. вышеприведенную формулу) и как следствие - к увеличению КПД водовоздушного подъемника η_эрл.Thus, the device of the well 12 with the placement of the nozzle 9 in it allows increasing the height "H" at a constant value of the height "h", which leads to an increase in "K" (see the above formula) and, as a result, to an increase in the efficiency of the air-lift η _erl .

Запуск в работу и остановка вала 3 осуществляется при помощи тормозного шкива 21, установленного на валу 3, и тормозных колодок с ручным приводом (на фиг. 2, 1 не показаны). Для исключения разбрызгивания воды лопастями 2 они прикрыты кожухом (на фиг. 1, 2 не показано). Starting up and stopping the shaft 3 is carried out using a brake pulley 21 mounted on the shaft 3, and brake pads with a manual drive (not shown in Fig. 2, 1). To exclude water splashing by the blades 2, they are covered by a casing (not shown in Fig. 1, 2).

Для повышения кинетической энергии набегающего потока предусмотрено применение известных обтекателей 19, установленных перед водяным колесом 1 с лопастями 2 при помощи фиксаторов (грузов) 20. To increase the kinetic energy of the oncoming flow, the use of known fairings 19 is provided, installed in front of the water wheel 1 with the blades 2 using clamps (weights) 20.

Верхняя кромка колодца 12 расположена выше дна потока, что исключает условия его заиливания донными насосами. The upper edge of the well 12 is located above the bottom of the stream, which excludes the conditions for its siltation by bottom pumps.

Преимуществом данного технического решения перед известными эрлифтами с подъемом подземных вод через скважину являeтся энергосберегающий привод компрессора. The advantage of this technical solution over the known airlifts with the rise of groundwater through the well is an energy-efficient compressor drive.

Преимуществом по сравнению с прототипом является повышение КПД предлагаемого технического решения за счет увеличения коэффициента погружения форсунки. An advantage compared to the prototype is to increase the efficiency of the proposed technical solution by increasing the nozzle immersion coefficient.

Отсутствие кольца в дне потока делает применение водовоздушной трубы с забором воды через ее нижнюю часть (фильтр) нецелесообразным. Гидростатическое давление окружающего потока у основания трубы при небольшой его глубине оказывается меньшим по сравнению с необходимым давлением воздуха, подаваемого из компрессора. Происходит выброс воздуха через фильтр, снижается подача и КПД водоподъемника. Выравнивание (уменьшение) давления воздуха и гидростатического давления приводит к ухудшению смесеобразования в водовоздушной трубе, не обеспечивается преодоление потерь напора в гибком шланге и водовоздушной трубе. Эти и другие аспекты работы эрлифта описаны в приводимых выше литературных источниках. The absence of a ring in the bottom of the stream makes the use of a water pipe with water intake through its lower part (filter) inappropriate. The hydrostatic pressure of the surrounding flow at the base of the pipe with a small depth is smaller compared to the necessary pressure of the air supplied from the compressor. Air is emitted through the filter, and the flow and efficiency of the water lift are reduced. The equalization (decrease) of air pressure and hydrostatic pressure leads to a deterioration of the mixture formation in the air-pipe, it is not possible to overcome the pressure loss in the flexible hose and air-pipe. These and other aspects of airlift operation are described in the literature cited above.

Энергосберегающему водовоздушному подъемнику (эрлифту) присуща простота конструкции, легкость изготовления (при наличии компрессора), бесперебойная работа в течение продолжительного времени (при отсутствии ледяного покрова); может быть изготовлен в условиях мастерских коллективных, фермерских и др. с.-х. предприятий. Energy-saving water-air lift (airlift) is characterized by simplicity of design, ease of manufacture (with a compressor), uninterrupted operation for a long time (in the absence of ice cover); can be made in the conditions of workshops collective, farm, and other agricultural enterprises.

Claims (1)

Ротационный водоподъемник, включающий в себя водяное колесо, лопасти, вал, воздушный колпак, водоподъемную трубу, отличающийся тем, что вал соединен с компрессором через редуктор, водоподъемная труба с фильтром и форсункой расположена в донном колодце, устроенном в дне русла открытого потока. A rotary water elevator, including a water wheel, blades, a shaft, an air cap, a water pipe, characterized in that the shaft is connected to the compressor through a gearbox, a water pipe with a filter and a nozzle is located in the bottom well, located at the bottom of the open flow channel.

Images