RU231958U1

RU231958U1 - VORTEX SATURATION

Info

Publication number: RU231958U1
Application number: RU2024119686U
Authority: RU
Inventors: Сергей Юрьевич Андреев; Константин Валерьевич Лебединский; Максим Александрович Сафронов
Filing date: 2024-07-11
Publication date: 2025-02-19

Abstract

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для насыщения жидкости газом и выделения из пересыщенного раствора тонкодисперсных пузырьков, и может быть использована для очистки природных и сточных вод методом флотации. Технической задачей полезной модели является повышение степени дисперсности получаемой водовоздушной смеси при снижении энергопотребления. Технический результат достигается за счет того, что вихревой сатуратор содержит цилиндрический корпус, соединенный посредством патрубка с эжектором. Корпус закрыт герметическим днищем с одной стороны, а с другой стороны снабжен цилиндрической вихревой камерой, имеющей диаметр в 5 раз больше диаметра корпуса сатуратора, к которой тангенциально присоединен патрубок подачи воды, а по ее оси размещена вихревая вакуумная камера, верхний конец которой является патрубком вывода водовоздушной смеси. Совокупность существенных признаков настоящей полезной модели позволяет повысить степень дисперсности получаемой водовоздушной смеси при снижении энергопотребления.

The utility model relates to devices intended for saturating a liquid with gas and separating finely dispersed bubbles from a supersaturated solution, and can be used to purify natural and waste water by flotation. The technical task of the utility model is to increase the degree of dispersion of the resulting air-water mixture while reducing energy consumption. The technical result is achieved due to the fact that the vortex saturator contains a cylindrical body connected by means of a branch pipe to the ejector. The body is closed with a sealed bottom on one side, and on the other side is equipped with a cylindrical vortex chamber having a diameter 5 times greater than the diameter of the saturator body, to which a water supply branch pipe is tangentially connected, and a vortex vacuum chamber is located along its axis, the upper end of which is a branch pipe for discharging the air-water mixture. The set of essential features of the present utility model allows to increase the degree of dispersion of the resulting air-water mixture while reducing energy consumption.

Description

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для насыщения жидкости газом и выделения из пересыщенного раствора тонкодисперсных пузырьков, и может быть использована для очистки природных и сточных вод методом флотации.The utility model relates to devices intended for saturating liquid with gas and separating finely dispersed bubbles from a supersaturated solution, and can be used for purifying natural and waste water by flotation.

Известен сатуратор, предназначенный для насыщения воды атмосферным воздухом при повышенном давлении, состоящий из цилиндрического корпуса, снабженного входными трубопроводами подачи воды и воздуха и выходными трубопроводами для выведения обработанной воды и излишков воздуха, в котором размещен пористый элемент, разделяющий внутреннее пространство корпуса на две соосные полости, сообщающиеся между собой через поры элемента, отличающийся тем, что пористый элемент выполнен в виде трубчатого элемента, соединенного с трубопроводом подачи воздуха; при этом трубопровод подачи воды подсоединен к полости, образующейся между стенкой цилиндра и пористым элементом (RU 162450 U1, заявка 2015151936/05 от 03.12.2015 опубл. 10.06.2016. Бюл. №16).A saturator is known, intended for saturating water with atmospheric air at elevated pressure, consisting of a cylindrical body equipped with inlet pipelines for supplying water and air and outlet pipelines for removing treated water and excess air, in which a porous element is placed, dividing the internal space of the body into two coaxial cavities communicating with each other through the pores of the element, characterized in that the porous element is made in the form of a tubular element connected to the air supply pipeline; wherein the water supply pipeline is connected to the cavity formed between the cylinder wall and the porous element (RU 162450 U1, application 2015151936/05 dated 03.12.2015 published 10.06.2016. Bulletin No. 16).

В сатураторе известной конструкции насыщение воды воздухом подаваемым компрессором осуществляется при значительной величине избыточного давления р_р=0,3-0,5 МПа. В результате резкого сброса давления до р_а=10⁵ Па в потоке воды, насыщенной воздухом в сатураторе, раствор воздуха становится пересыщенным (концентрация воздуха в растворе с_р, мг/л, превышает величину концентрации насыщения при атмосферном давлении с_на, мг/л).In a saturator of known design, water is saturated with air supplied by a compressor at a significant excess pressure p _p = 0.3-0.5 MPa. As a result of a sharp pressure drop to p _a = 10 ⁵ Pa in the flow of water saturated with air in the saturator, the air solution becomes supersaturated (the air concentration in the solution with _p , mg/l, exceeds the saturation concentration at atmospheric pressure with _by , mg/l).

В соответствии с законом Лапласа из пересыщенного раствора воздуха в воде могут выделяться зародыши пузырьков воздуха, имеющие минимальный размер (радиус) R_кp, мAccording to Laplace's law, air bubble nuclei with a minimum size (radius) R _кр , m can be released from a supersaturated solution of air in water.

где - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела фаз «вода-воздух»;Where - coefficient of surface tension at the water-air phase boundary;

Δр=р_р-р_а, Па, - разница давлений в жидкости до р_р и после сброса избыточного давления р_а.Δр=р _р -р _а , Pa, is the difference in pressure in the liquid before р _р and after the release of excess pressure р _а .

Процесс выделения зародышевых пузырьков воздуха из пересыщенного раствора, несмотря на наличие пресыщения, значительно затруднен из-за энергетического барьера, возникающего вследствие необходимости образования границы раздела фаз «вода-воздух», на что требуется дополнительная энергия. Новая фаза может образоваться только в процессе спонтанной локальной флуктуации концентраций растворенного газа в некотором объеме раствора. Выделившиеся из пересыщенного раствора зародышевые пузырьки воздуха быстро увеличивают свой размер за счет процесса диффузии в них растворенного в воде воздуха. Поскольку процесс выделения зародышевых пузырьков воздуха из пересыщенного раствора затруднен, то число образующихся в объеме жидкости зародышевых пузырьков с ростом величины пересыщения раствора воздухом возрастает незначительно, а размер формирующихся из пересыщенного раствора пузырьков воздуха существенно увеличивается.The process of separating germinal air bubbles from a supersaturated solution, despite the presence of supersaturation, is significantly hindered by the energy barrier arising due to the need to form a water-air phase boundary, which requires additional energy. A new phase can only form in the process of spontaneous local fluctuations in the concentrations of dissolved gas in a certain volume of the solution. Germinal air bubbles released from a supersaturated solution quickly increase in size due to the process of diffusion of air dissolved in water into them. Since the process of separating germinal air bubbles from a supersaturated solution is hindered, the number of germinal bubbles formed in the volume of liquid increases insignificantly with an increase in the value of supersaturation of the solution with air, and the size of air bubbles formed from a supersaturated solution increases significantly.

Недостатком известного сатуратора является необходимость подачи в устройство сжатого воздуха, что существенно усложняет процесс эксплуатации и увеличивает его энергопотребление, при этом образование на выходе из устройства, из раствора, имеющего большую степень пересыщения, относительно крупных пузырьков воздуха снижает эффективность процесса флотационного удаления мелкодисперсных частиц загрязнений.The disadvantage of the known saturator is the need to supply compressed air to the device, which significantly complicates the operation process and increases its energy consumption, while the formation of relatively large air bubbles at the outlet of the device, from a solution with a high degree of supersaturation, reduces the efficiency of the flotation process for removing finely dispersed particles of contaminants.

Технической задачей полезной модели является повышение степени дисперсности получаемой водовоздушной смеси при снижении энергопотребления.The technical objective of the utility model is to increase the degree of dispersion of the resulting water-air mixture while reducing energy consumption.

Технический результат достигается за счет того, что вихревой сатуратор содержит цилиндрический корпус, соединенный посредством патрубка с эжектором. Корпус закрыт герметическим днищем с одной стороны, а с другой стороны снабжен цилиндрической вихревой камерой, имеющей диаметр в 5 раз больше диаметра корпуса сатуратора, к которой тангенциально присоединен патрубок подачи воды и соосно с ней присоединена вихревая вакуумная камера, верхний конец которой является патрубком вывода водовоздушной смеси.The technical result is achieved due to the fact that the vortex saturator contains a cylindrical body connected by means of a branch pipe to the ejector. The body is closed with a hermetic bottom on one side, and on the other side is equipped with a cylindrical vortex chamber having a diameter 5 times greater than the diameter of the saturator body, to which a water supply branch pipe is tangentially connected and a vortex vacuum chamber is coaxially connected to it, the upper end of which is a branch pipe for the discharge of the water-air mixture.

Данная конструкция позволяет без дополнительных затрат энергии обеспечить эжекцию атмосферного воздуха при незначительной величине избыточного давления потока воды, подаваемого в эжектор, и при этом получить, а затем подать в корпус сатуратора крупнодисперсную водовоздушную смесь, и за счет вращательно-поступательного движения потока выделить из пересыщенного раствора при пониженном давлении тонкодисперсные пузырьки воздуха и создать на выходе мелкодисперсную водовоздушную смесь.This design allows, without additional energy expenditure, to ensure the ejection of atmospheric air at a low value of excess pressure of the water flow supplied to the ejector, and at the same time to obtain and then supply a coarse-dispersed water-air mixture to the saturator body, and, due to the rotational-translational movement of the flow, to separate finely dispersed air bubbles from the supersaturated solution at reduced pressure and create a finely dispersed water-air mixture at the outlet.

Полезная модель, вихревой сатуратор, поясняется сопровождающими чертежами: фиг. 1 - разрез А-А, фиг. 2 - разрез Б-Б.The utility model, a vortex saturator, is illustrated by the accompanying drawings: Fig. 1 - section A-A, Fig. 2 - section B-B.

Вихревой сатуратор содержит цилиндрический корпус 1, нижний конец которого закрыт герметическим днищем 8, а к его верхнему концу прикреплена цилиндрическая вихревая камера 2 имеющая диаметр D, величина которого в 5 раз больше диаметра d₁ корпуса 1. К цилиндрической вихревой камере 2 тангенциально присоединен патрубок 3 подачи воды, а по ее центру соосно с корпусом 1 размещена вихревая вакуумная камера 5, верхний конец которой является патрубком 9, предназначенным для отвода выделяющейся из пересыщенного раствора мелкодисперсной водовоздушной смеси. К корпусу 1 тангенциально присоединен патрубок 4 подачи крупнодисперсной водовоздушной смеси, образующейся на выходе из эжектора 6.The vortex saturator comprises a cylindrical body 1, the lower end of which is closed by a sealed bottom 8, and a cylindrical vortex chamber 2 having a diameter D, the value of which is 5 times greater than the diameter d ₁ of the body 1, is attached to its upper end. A branch pipe 3 for feeding water is tangentially connected to the cylindrical vortex chamber 2, and a vortex vacuum chamber 5 is located at its center coaxially with the body 1, the upper end of which is a branch pipe 9 intended for removing the finely dispersed water-air mixture released from the supersaturated solution. A branch pipe 4 for feeding the coarsely dispersed water-air mixture formed at the outlet of the ejector 6 is tangentially connected to the body 1.

Вихревой сатуратор работает следующим образом.The vortex saturator works as follows.

Потоки обрабатываемой воды поступают в патрубок подачи 3 и на вход в эжектор 6, при этом их расходы, а также количество эжектируемого воздуха регулируются запорной арматурой 10. Поступая в вихревую камеру 2 по тангенциально присоединенному к ней патрубку 3, поток воды создает вращательное движение с некоторой угловой скоростью ω₁, затем вращающийся поток воды перетекает в кольцевую камеру 7, образованную внутренней стенкой корпуса 1 и внешней стенкой вакуумной вихревой камеры 5, где он приобретает вращательно-поступательное движение. Величина угловой скорости нисходящего потока воды в кольцевой камере 7 ω₂ увеличивается прямо пропорционально отношению квадратов диаметров вихревой камеры 2, D и корпуса сатуратора 1, d₁. В результате вращательно-поступательного движения потока воды в кольцевой камере 7 величина давления в ней становится меньше чем величина на входе в патрубок 4 и на выходе из эжектора 6. Под действием перепада давлений жидкости на входе и выходе из эжектора 6 он подсасывает атмосферный воздух, в результате чего в патрубок 4 поступает крупнодисперсная водовоздушная смесь. В процессе вращательно-поступательного движения водовоздушной смеси в кольцевой камере 7 вода насыщается воздухом при повышенном давлении. Дойдя до днища 8 корпуса вихревого сатуратора 1, нисходящий вращающийся поток водовоздушной смеси меняет направление своего движения, и восходящий поток водовоздушной смеси поступает в вакуумную вихревую камеру 5. Угловая скорость вращения восходящего потока водовоздушной смеси ω₃, поступающей в вакуумную камеру 5, увеличивается прямо пропорционально отношению квадрата диаметров корпуса сатуратора 1, d₁, и вакуумной вихревой камеры 5, d, в результате чего в ней создается пониженное давление. Раствор воздуха во вращающемся восходящем потоке водовоздушной смеси при пониженном давлении становится пересыщенным, и из него выделяются тонкодисперсные пузырьки воздуха. Мелкодисперсная водовоздушная смесь отводится из вихревого сатуратора через патрубок 9.The flows of treated water enter the feed pipe 3 and the inlet of the ejector 6, while their flow rates, as well as the amount of ejected air, are regulated by the shut-off valve 10. Entering the vortex chamber 2 through the pipe 3 tangentially connected to it, the water flow creates a rotational motion with a certain angular velocity ω ₁ , then the rotating water flow flows into the annular chamber 7 formed by the inner wall of the housing 1 and the outer wall of the vacuum vortex chamber 5, where it acquires a rotational-translational motion. The magnitude of the angular velocity of the descending water flow in the annular chamber 7 ω ₂ increases in direct proportion to the ratio of the squares of the diameters of the vortex chamber 2, D and the housing of the saturator 1, d ₁ . As a result of the rotational-translational motion of the water flow in the annular chamber 7, the pressure value in it becomes less than the value at the inlet to the branch pipe 4 and at the outlet from the ejector 6. Under the action of the pressure difference of the liquid at the inlet and outlet from the ejector 6, it sucks in atmospheric air, as a result of which a coarse-dispersed water-air mixture enters the branch pipe 4. During the rotational-translational motion of the water-air mixture in the annular chamber 7, the water is saturated with air at an increased pressure. Having reached the bottom 8 of the vortex saturator 1 body, the downward rotating flow of the air-water mixture changes the direction of its movement, and the upward flow of the air-water mixture enters the vacuum vortex chamber 5. The angular velocity of rotation of the upward flow of the air-water mixture ω ₃ entering the vacuum chamber 5 increases in direct proportion to the ratio of the square of the diameters of the saturator 1 body, d ₁ , and the vacuum vortex chamber 5, d, as a result of which a reduced pressure is created in it. The air solution in the rotating upward flow of the air-water mixture at reduced pressure becomes supersaturated, and finely dispersed air bubbles are released from it. The finely dispersed air-water mixture is removed from the vortex saturator through the branch pipe 9.

Совокупность существенных признаков настоящей полезной модели позволяет повысить степень дисперсности получаемой водовоздушной смеси при снижении энергопотребления.The combination of essential features of this utility model allows for an increase in the degree of dispersion of the resulting water-air mixture while reducing energy consumption.

Claims

A vortex saturator comprising a cylindrical body, a water supply pipe, a pipe for discharging a finely dispersed water-air mixture, characterized in that the body is closed at its lower end by a sealed bottom, and at its upper end is provided with a cylindrical vortex chamber coaxially connected to it, having a diameter 5 times greater than the diameter of the body, to which the water supply pipe is tangentially connected, while in the center of the cylindrical vortex chamber coaxially with the body there is a vortex vacuum chamber, the upper end of which is a pipe for discharging a finely dispersed water-air mixture, and a pipe for supplying a coarsely dispersed water-air mixture is tangentially connected to the body, made with the possibility of connecting to an ejector.