Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХУРОВНЕВЫЙ ОЧИСТИТЕЛЬ ЗАСТОЙНЫХ ВОД АКВАТОРИЙ БУХТ И ЗАЛИВОВ

Изобретение относится к гидротехнике и, в частности, к устройствам для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов водой прибрежных течений, проходящих мимо них транзитом. Может быть использовано для очистки заливов рек путем направления течений в их застойные воды и усиления циркуляции воды в них.

Известна карта (фиг.1) морских течений Черного моря (htth://blacksea-map/ru/map_black_sea_current_map576665_0_0.htm). На ней видны течения, опоясывающие все Черное море, в том числе показаны течения вблизи берегов со скоростями до 40 см/с, проходящие вблизи Геленджикской бухты (фиг.2), но не заходящие в нее, так же как в Цемесскую и в другие бухты курортных городов Черного моря (Геленджик и его окрестности. Краснодар, 1964. Колесникова А.А., Казицин В.В., Щеглов Д.Е., Геленджик. Справочник-путеводитель, 2 изд. Краснодар, 1969). Поэтому циркуляция воды, например, в Геленджикской бухте замедлена - скорость течений в ней недостаточна - 0,1 мм/с, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии этой бухты: накопления загрязнений в виде мусора, наносов и плавающих включений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для очистки вод акваторий бухт (патент №247969010, кл. МПК B02B 15/00, опубл. 20.04.2013, бюл. №11), включающее блок из одного и более изогнутых винтовых трубопроводов, соединенных между собой боковыми сторонами и смонтированных в одном блоке, который закреплен на пути потока прибрежных течений для изменения направления части потоков воды, увеличения их скорости и введения этих потоков в акваторию бухт, при этом каждый винтовой трубопровод выполнен изогнутым под углом от 45° до 170° с многозаходной винтовой поверхностью, снабженной винтовыми канавками внутри и наружи винтового трубопровода под углом к его оси в виде карманов многоугольной формы в форме различных геометрических фигур с четырьмя и более боковыми сторонами, причем расстояние между прямыми линиями сгиба равно длине каждого элемента многоугольника, при этом карманы по внутренней и наружной поверхностям могут отличаться как по форме, так и размерам по периметру винтового трубопровода, смонтирован из секций, каждая из которых выполнена в виде кругового сектора, изготовленного из полосы, свернутой в кольцо с многогранной поверхностью и образованием разных по размерам четырехугольников с двумя параллельными сторонами, расположенными параллельно друг другу, при этом секции соединены друг с другом свободными сторонами упомянутых четырехугольников в виде пустотелого винтового трубопровода с входным отверстием, расположенным на одной числовой отметке выходного отверстия.

Недостатками известного устройства являются ограниченные технические возможности, а также сложность монтажа ввиду того, что входные отверстия расположены на одной числовой отметке выходного отверстия и поэтому необходимо выполнять дополнительные объемы строительно-монтажных работ при укладке устройства на дно моря и бухт заливов, имеющих разные числовые отметки.

Техническим решением является очистка застойных и загрязненных вод акваторий бухт и заливов, числовые отметки донной поверхности которых отличаются от числовых отметок донной поверхности открытого моря, путем создания внутри их (акваторий бухт и заливов) постоянной циркуляции чистой морской воды с помощью предлагаемого изобретения за счет поворота и направления прибрежных течений в их акватории, увеличения скорости искусственно созданных течений с последующим выводом в открытое море этими течениями загрязнений бухт и заливов, расширение технологических возможностей, упрощение строительно-монтажных работ при укладке на дно моря и бухт заливов, имеющих разные числовые отметки.

Техническое решение достигается тем, что в двухуровневом очистителе застойных вод акваторий бухт и заливов, включающем блок из одного и более изогнутых под углом трубопроводов, соединенных между собой боковыми сторонами и смонтированных в одном блоке, который закреплен на пути потока прибрежных течений для изменения направления части потоков воды, увеличения их скорости и введения этих потоков в акваторию бухт, заливов, трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по ее внутреннему и наружному периметру с входным отверстием, расположенным на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки выходного отверстия, и изготовлен из секций, смонтированных из двух подсекций, изготовленных из полос, согнутых в одну сторону по прямым линиям сгиба, размещенным под углом к кромкам полос, и свернутых в кольцо с попеременным образованием по длине полосы разных по размерам равносторонних, равнобедренных и разносторонних треугольников, причем стороны треугольников отличаются друг от друга на одну и ту же линейную величину, кратную целому числу Δ, при этом с двух сторон самого большого равностороннего треугольника своими самыми большими сторонами размещены два одинаковых разносторонних треугольника, стороны которых меньше стороны большого равностороннего треугольника на одну и ту же линейную величину Δ, кратную целому числу, и к средней стороне одного из которых с одной стороны полосы прикреплен меньший равносторонний треугольник, все стороны которого меньше стороны самого большого равностороннего треугольника на одну и ту же линейную величину Δ, кратную двум, причем ко второй стороне меньшего равностороннего треугольника прикреплен своим основанием равнобедренный треугольник, боковые стороны которого меньше его основания на линейную величину Δ и соответственно меньше стороне самого большого равностороннего треугольника на линейную величину, кратную трем Δ, и к боковой стороне которого прикреплен равнобедренный треугольник, основание которого меньше его боковой стороны на величину Δ и соответственно меньше стороны самого большого равностороннего треугольника на величину 4Δ, при этом с противоположной стороны полосы к второму разностороннему треугольнику к средней стороне прикреплен своей боковой стороной равнобедренный треугольник, основание которого меньше его боковой стороны на величину Δ и соответственно меньше стороны самого большого равностороннего треугольника на величину 3Δ, и к основанию которого прикреплен своей боковой стороной равнобедренный треугольник, основание которого меньше его боковой стороны на величину Δ и соответственно меньше сторон самого большого равностороннего треугольника на величину 4Δ, после сгиба полосы по линиям сгиба в кольцо концы полос, линейная величина которых меньше на 4Δ стороны самого большого равностороннего треугольника, соединяют с образованием подсекций, у которых с одной стороны образовано отверстие в виде квадрата, сторона которого меньше стороны самого большого равностороннего треугольника полосы на величину 3Δ, а с другой стороны образовано отверстие в виде равнобедренной трапеции, большое основание которой равно стороне самого большого равностороннего треугольника, а малое основание меньше большого основания на величину 3Δ, а боковые стороны меньше большого основания на величину 2Δ, причем подсекции соединяют друг с другом отверстиями в виде трапеций с образованием секций с входными и выходными отверстиями в виде квадратов, стороны которых равны друг другу, и эти отверстия расположены под углом, величина которого определяет спиральную форму рабочей камеры, при этом секции соединят в рабочую камеру с поворотом друг относительно друга поочередно, попеременно поворачивают на 90° каждую последующую секцию относительно предыдущей по часовой стрелке, а затем следующую секцию присоединяют с поворотом в обратном направлении тоже на 90°.

По данным патентно-технической литературы не обнаружено техническое решение, аналогичное заявляемому, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемого двухуровневого очистителя застойных вод акваторий бухт и заливов.

Новизна обусловлена тем, что трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по ее внутреннему и наружному периметру с входным отверстием, расположенным на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки выходного отверстия, что обеспечивает не только движение и транспортировку масс чистой морских течений моря в акваторию бухты или залива, при этом изменение направления течения воды увеличивает циркуляцию воды, обеспечивая их очистку, но и расширяет технические возможности и упрощает изготовление.

Новизна предложения заключается в том, что по внутренней поверхности трубопровода образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности, что увеличивает интенсивность движения и транспортировки масс воды и расширяет технологические возможности

Новизна обусловлена тем, что трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения, по наружной и внутренней поверхности которого образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности, что обеспечивает не только интенсификацию движения масс воды и ее транспортировку в акваторию заливов и бухт, но и расширение технологических возможностей.

Новизна заключается в том, что изготовление трубопровода спиральной формы с многогранными элементами различной формы и размерами по периметру, расположенными по винтовым поверхностям и спиральным ломаным винтовым линиям, обеспечивает ускорение движения масс воды, обеспечивает непрерывность их движения от входного до выходного отверстия.

Новизна обусловлена тем, что элементы, из которых собран трубопровод, по периметру разные по площади, форме и размерам, поэтому расширяются технологические возможности.

Новизна обусловлена также тем, что шаг ломаных винтовых линий переменный, т.е. изменяется по всему периметру трубопровода, что нарушает стационарность движения масс воды и расширяет технологические возможности.

Новизна предложения заключается также в том, что по всему периметру трубопровода проходное сечение изменяется не только по форме, но и по площади, что обеспечивает попеременное сжатие и расширение воды в каждом сечении трубопровода, а значит, и расширение технологических возможностей.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что элементы, из которых собран трубопровод, разнонаклонены не только друг к другу, но и к оси симметрии трубопровода, поэтому степень сжатия масс воды возрастает, расширяются технологические возможности.

Новизна усматривается также в том, что трубопровод выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения, по наружной и внутренней поверхности которого образованы ломаные винтовые линии и винтовые поверхности, и изготовлен из секций, каждая их которых смонтирована из полосы, согнутой в одну сторону по прямым линиям, размещенным под углом к кромкам полосы, с попеременным образованием по длине полосы разных по размерам равносторонних и равнобедренных треугольников, что упрощает изготовление и расширяет технологические возможности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 изображена карта течений Черного моря бухты; на фиг.2 - карта бухты, например карта побережья Геленджикской бухты; на фиг.3 - двухуровневый очиститель застойных вод акваторий бухт и заливов в виде блока из шести трубопроводов, смонтированных в три ряда, общий вид; на фиг.4 - вид А на фиг.3; на фиг.5 - один из трубопроводов в виде сектора 180° кругового трубчатого сечения, вид сверху; на фиг.6 - вид на фиг.5; на фиг.7 - один из трубопроводов в виде сектора 360° кругового трубчатого сечения; на фиг.8 - одна из секций, из которых смонтирован трубопровод, вид сверху; на фиг.9 - одна из секций, из которых смонтирован трубопровод, вид по стрелке Б на фиг.8; на фиг.10 - одна из подсекций секции трубопровода, аксонометрическая проекция; на фиг.11 - вторая подсекция секции трубопровода, аксонометрическая проекция; на фиг.12 - полоса с размеченными прямыми линиями; на фиг.13 - схема сборки секции из подсекций; фиг.14 - сечение Б-Б на фиг.5; на фиг.15 - сечение В-В на фиг.5; на фиг.16 - сечение Г-Г на фиг.5; на фиг 17 - сечение Д-Д на фиг.5; на фиг.18 - сечение Е-Е на фиг.5; фиг.19 - технологическая схема непрерывной подачи воды из прибрежных течений в акваторию бухты; на фиг.20 - двухуровневый очиститель застойных вод акваторий бухт и заливов в виде блока из четырех трубопроводов в виде секторов кругового трубчатого сечения, смонтированных в один ряд, общий вид; на фиг.21 - карта бухты с смонтированным на пути потока прибрежных течений предлагаемого двухуровневого очистителя вод акваторий бухт и заливов из трубопроводов в виде секторов кругового трубчатого сечения, смонтированных в один ряд.

Из карты течений, например, Черного моря (фиг.1) видно, что вдоль берегов моря существуют поверхностные течения, движущиеся вдоль берегов со сравнительно большой скоростью, достаточной для очистки прибрежных вод от мусора и различных загрязнений. Однако если побережье моря имеет углубленную бухты, например, как Геленджикская бухта (фиг.2), то поверхностные течения, в том числе и глубинные, вдоль побережья транзитом проходят мимо бухт и лишь незначительная часть таких течений проникает внутрь таких глубоких бухт побережья морей. Кроме того, в отдельных прибрежных участках моря в населенных пунктах, например, как в Анапе, были построены дамбы, которые перекрыли доступ в них течений моря, и в результате в прибрежных водах таких городов созданы зоны застоя вод акваторий бухт, что ухудшает экологическую обстановку в таких искусственно созданных бухтах, а также естественных, как на фиг.2, при этом дно бухт расположено на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки донной поверхности моря.

Двухуровневый очиститель застойных вод акваторий бухт и заливов (фиг.3, фиг.4) выполнен в виде блока 1 из одного и более изогнутых под углом трубопроводов 2, выполненных в виде сектора кругового трубчатого сечения, соединенных между собой боковыми сторонами известными способам, например смонтированных в одном блоке 1, залитом по периметру бетонном в виде пирамиды по всей длине трубопроводов 2, при этом, например, числовая отметка блока 1 с трубопроводами 2 со стороны выходных отверстий равна -k /минус k/, a числовая отметка блока 1 со сторон входных отверстий равна 0,00, т.е выше.

Трубопровод 2 (фиг.5, фиг.6, фиг.7) выполнен в виде сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по ее внутреннему и наружному периметру с входным отверстием, расположенным на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки выходного отверстия (например, на фиг.6 у входного отверстия трубопровода 2 числовая отметка равна 0,00, а у выходного отверстия числовая отметка ниже и равна -k /минус k/), и изготовлен из секций 3, одна из которых выделена на фиг.7 двойной линией 4-5-6-7-8-9. По наружной и внутренней поверхности трубопровода 2 образованы ломаные винтовые поверхности и винтовые линии, одна из которых выделена и показана на фиг.7 утолщенной линией 10-11-12-13-14-15-16-17-5-18-19-20-21-22-23-24-25-26-27-28-29-30-31-32-33-34-35-36-37.

Таким образом, трубопровод 2 (фиг.5, фиг.6, фиг.7) выполнен спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по его внутреннему и наружному периметру и изготовлен из секций 2 (одна из секций на фиг.7 выделена сплошными двойными линиями), соединенными между собой известными методами, например сваркой, клейкой и т.п. Каждая из секций 3 изготовлена (фиг.8, фиг.9, фиг.10, фиг.11) из подсекций 38 и 39. Подсекции 38 и подсекция 39 изготовлены из полос М (фиг.12), согнутых в одну сторону по прямым линиям А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, размещенным под углом к боковым кромкам полосы М, с образованием разных по размерам равносторонних треугольников 8 и 9, 40 и 41, при этом стороны треугольника 40, 8 меньше стороны треугольника 9, 41 на величину 2Δ, равнобедренных треугольников 10, 11, 12, 13 42, 43, 44, 45 и двух одинаковых разносторонних треугольников 14 и 15, 46 и 47. Все стороны этих треугольников отличаются друг от друга на одну и ту же линейную величину, кратную целому числу Δ. При этом с двух сторон самого большого равностороннего треугольника 41, 9 своими самыми большими сторонами (стороной Г треугольника 46, 14 и стороной Д треугольника 47, 15) размещены два одинаковых разносторонних треугольника 46 и 47, 14 и 15. Стороны, по которым присоединены треугольники 46 и 47, 14 и 15 к треугольнику 41, 9, показаны на фиг.12 двойными линиями. Средние по размерам стороны разносторонних треугольников 46 и 47, 14 и 15 (сторона в треугольника 46, 14 и сторона Е треугольника 47, 15) меньше сторон большого равностороннего треугольника 41, 9 на величину 2Δ. Самые маленькие стороны разносторонних треугольников 46 и 47, 14 и 15 меньше средних их сторон В и Е на величину (Δ) и равны величине (L). Эти стороны (L) показаны на фиг.12. К средней стороне В разностороннего треугольника 46, 14 прикреплен равносторонний треугольник 40, 8, все стороны которого равны средней стороне В треугольника 46, 14. К стороне Б треугольника 40, 8 прикреплен своим основанием равнобедренный треугольник 43, 11, боковые стороны которого меньше его основания на величину Δ и соответственно меньше стороны самого большого треугольника 41, 9 на величину 3Δ. К стороне треугольника 43, 11 прикреплен своей боковой стороной А равнобедренный треугольник 42, 10, основание которого меньше его боковой стороны на величину Δ и соответственно меньше сторон самого большого равностороннего треугольника 41, 9 на величину 4Δ. С противоположной стороны полосы М к средней стороне Е треугольника 47, 15 прикреплен своей боковой стороной равнобедренный треугольник 44, 12, основание которого меньше его боковой стороны на величину Δ и соответственно меньше сторон треугольника 41, 9 на величину 3Δ. К стороне Ж - основанию треугольника 44, 12 прикреплен своей боковой стороной равнобедренный треугольник 45, 13, основание которого меньше его боковой стороны на величину Δ и соответственно меньше сторон самого большого равностороннего треугольника 41, 9 на величину 4Δ.

После сгиба полосы М по линиям А, Б, В, Г, Д, Е, Ж в кольцо в одну сторону концы полосы М по линиям К (на фиг.10 и фиг.11 показаны тройной линией) соединяют, например, сваркой с образованием подсекций 38, 6 и 39, 7 (фиг.10 и фиг.11), у которых с одной стороны образовано отверстие в виде квадрата со стороной, равной L, длина которой меньше сторон самого большого равностороннего треугольника 41, 9 полосы М на величину 3Δ, а с другой стороны образовано отверстие в виде равнобедренной трапеции, большое основание которой равно стороне самого большого равностороннего треугольника 41, 9, малое основание меньше большого основания трапеции на величину 3Δ, а боковые стороны меньше большого основания на 2Δ.

Подсекции 38 и 39 соединяют отверстиями в виде трапеций (фиг.13) с образованием секции 3, например, сваркой. Таким образом секция 3 (фиг.9) снабжена входным квадратным отверстием Р и выходным квадратным отверстием С, причем стороны квадратных входных и выходных отверстий Р и С секции 3 равны друг другу. При этом квадратные отверстия Р и С секции 3 расположены друг к другу под углом α, величина которого обеспечивает спиральную форму трубопровода 2 в виде сектора кругового трубчатого сечения.

При монтаже секций 3 в трубопровод 2 их соединяют квадратными отверстиями, при этом поочередно поворачивают на 90° каждую последующую секцию относительно предыдущей по часовой стрелке, а затем следующую секцию присоединяют с поворотом в обратном направлении тоже на 90°.

На наружной и внутренней поверхности сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы трубопровода 2 образованы взаимонаправленные ломаные винтовые линии, например, как показана на фиг.7 утолщенной линией одна из восьми ломаных винтовых линий: 10-11-12-13-14-15-16-17-5-18-19-20-21-22-23-24-25-26-27-28-29-30-31-32-33-34-35-36-37 и т.д. На фиг.7 невидимые участки ломаной винтовой линии показаны двойной штриховой линией. В результате по наружной и внутренней поверхности сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы трубопровода 2 образованы винтовые поверхности с различными по форме и площади сечениями, а сам трубопровод 2 имеет проходное сечение, которое меняется по все его длине как по площади, так и по размерам и по форме (фиг.14, фиг.15, фиг.16, фиг.17, фиг.18).

Таким образом, трубопровод 2 (фиг.5, фиг.6, фиг.7) выполнен по периметру в виде сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по его внутреннему и наружному периметру с входным отверстием, расположенным на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки выходного отверстия, и с переменным проходным сечением.

Трубопровод 2 (фиг.2, фиг.3) в виде сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по его внутреннему и наружному периметру с входным отверстием, расположенным на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки выходного отверстия, и с переменным проходным сечением может быть изготовлен и иным способом.

На фиг.19 представлена технологическая схема непрерывной подачи воды с помощью двухуровневого очистителя застойных вод акваторий бухт и заливов, из прибрежных течений, проходящих в глубине моря 2 метра в акваторию бухты на глубину -/2+k/ метра.

На фиг.20 показан блок 1 из двух трубопроводов 2, смонтированных в один ряд и соединенных между собой боковыми сторонами известными способами и залитыми бетоном, т.е. выполненными в виде широкой плиты. Такие блоки можно устанавливать в бухты, где достаточно большая ширина входа в бухту. Они будут занимать не более 1.5% входа в бухту и не препятствуют судоходству. Расчеты показывают, что для очистки воды вдоль берегов Геленджикской бухты достаточно на пути движения потоков течений смонтировать блок 1 из восьми трубопроводов 2 в один ряд. Примерная схема расчета прилагается.

На фиг.21 представлена карта бухты со смонтированным на пути прибрежных течений предлагаемым двухуровневым очистителем вод акваторий бухт и заливов с указанием направления движения потоков воды прибрежных течений моря внутрь бухты. Такие блоки можно устанавливать в бухты, где достаточно большая ширина входа в бухту, например в Геленджикской бухте ширина входа 1800 м.

Технико-экономические преимущества возникают за счет поворота и направления потоков прибрежных течений в акваторию бухт и заливов с помощью предлагаемого двухуровневого очистителя вод акваторий бухт и заливов, смонтированного из трубопроводов, выполненных в виде сектора кругового трубчатого сечения спиральной формы с многогранной винтовой поверхностью по ее внутреннему и наружному периметру с входным отверстием, расположенным на числовой отметке, отличающейся от числовой отметки выходного отверстия, соединенных между собой боковыми сторонами известными способами, который закреплен на пути потока прибрежных течений, изменяет направление части потоков воды прибрежных течений и направляет их в акваторию бухт и заливов со скоростью, равной скорости прибрежных течений, что усиливает циркуляцию воды, положительно сказывается на экологическом состоянии бухт и заливов, выводит накопленные загрязнения, мусор, наносы и плавающие включения в открытое море, расширяет технологические возможности и упрощает изготовление.

Методика расчета двухуровневого очистителя вод для очистки вод акваторий бухт и заливов

Предлагается методика для расчета основных параметров при проектировании и изготовлении двухуровневого очистителя вод для очистки вод акваторий бухт и заливов с перепадом числовых отметок дна моря и дна залива в k метров.

1. Длина побережья бухты равна 12000 м. При средней глубине 2 м и ширине полосы воды вдоль берега бухты 30 м объем воды вдоль всего побережья Геленджикской бухты W≈L×B×H=12000×30×2≈720000 м³.

Ширина входа в Геленджикскую бухту 1800 м.

(Лотышев И.П. География Кубани. Энциклопедический словарь. Майкоп, 2008).

Для создания благоприятной экологически чистой среды в акватории Геленджикской бухты необходимо обеспечить замену этого объема воды в течение заданного времени T, например T≈240 час.

Скорость прибрежного течения в районе Геленджикской бухты V=40 см/с=2400 см/мин=2,4 м/мин (Геленджик и его окрестности. Краснодар, 1964. Колесникова А.А., Казицин В.В., Щеглов Д.Е., Геленджик. Справочник-путеводитель. 2 изд. Краснодар, 1969).

Таким образом, расход воды через трубопроводы устройства равен

При скорости течения V≈2,4 м/мин площадь проходного сечения предлагаемого устройства для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов равна

.

Поэтому для мелководной бухты, такой как Геленджикская, блок приспособления для очистки вод акваторий бухт и заливов монтируется из восьми трубопроводов, соединенных друг с другом своими боковыми сторонами в один ряд.

Площадь проходного сечения одного трубопровода будет составлять S₁=2.6 м², а значит, диаметр одного трубопровода . Тогда ориентировочно поперечное сечение блока (показано на фиг.20 при условии монтажа в плите восьми трубопроводов) по ширине будет составлять 18 м, по толщине 2 м с перепадом числовых отметок входных и выходных отверстий k метров.