Устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев

 

Изобретение относится к водоснабжению. Техническим результатом является повышение надежности, предотвращение истощения водоносного горизонта, расширение условий применения, снижение строительных и эксплуатационных затрат. Устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев содержит сборный водовод и водоподъемный насос, расположенный в одном из колодцев под динамическим уровнем воды, соединенный вертикальной напорной трубой со сборным водоводом, на котором расположены струйные аппараты, соединенные с вертикальными всасывающими трубами, опущенными под динамические уровни воды в других колодцах. Конструктивные размеры каждого струйного аппарата и технические характеристики водоподъемного насоса определяются из формул. На вертикальной напорной трубе под динамическим уровнем воды расположен датчик, воспринимающий давление внутри этой трубы и снаружи, выходы которого подсоединены к входам блока управления, у которого выходы подсоединены к пусковому устройству насоса и приводу задвижки на сборном водоводе, за которой по отношению к насосу установлен датчик, воспринимающий давление внутри водовода, выход которого также подключен к входу блока управления. 1 ил.

Изобретение относится к водоснабжению, предназначено для добывания воды из группы шахтных колодцев.

Известно устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев, содержащее сборный самотечно-напорный водовод, сборный колодец и водоподъемный насос, транспортирующий воду из сборного колодца в систему водоснабжения [1] . Такое устройство обладает следующими недостатками: 1. Низкой надежностью, так как при его эксплуатации возможно понижение уровней воды в колодцах ниже допустимых, что может привести к нарушению гидравлического режима водоносного горизонта, а также из-за того, что наличие уклона самотечно-напорного водовода от наиболее удаленного шахтного колодца в сторону сборного колодца может приводить к периодическим прекращениям движения воды в результате возникновения воздушных пробок из выделяющегося из воды воздуха.

2. Высокой строительной стоимостью из-за необходимости устройства сборного колодца, установки большого количества задвижек на всех подсоединительных ветвях, ремонтных участках и на входе в сборный колодец, установки в каждом колодце обратных клапанов и других видов арматуры для предупреждения возможности переливания воды из одного колодца в другой, также из-за необходимости прокладки самотечно-напорного водовода в водоносных грунтах на относительно больших глубинах (примерно до 7 м).

3. Высокими эксплуатационными затратами из-за необходимости постоянного регулирования эксплуатационным персоналом с помощью задвижек, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, расходов воды, забираемых из каждого колодца.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев, содержащее сифонный сборный водовод с устройством для удаления воздуха, сборный колодец и водоподъемный насос [2]. Это устройство также обладает недостатками: 1. Низкой надежностью из-за возможного понижения уровней воды в колодцах ниже допустимых.

2. Ограниченными условиями применения из-за того, что величина вакуума в сифонном сборном водоводе зависит от величиной атмосферного давления.

3. Высокой строительной стоимостью из-за необходимости устройства сборного колодца, установки вакуум-насоса для периодической зарядки сифонного сборного водовода, необходимости прокладки водовода ниже глубины промерзания из-за низких скоростей движения воды в нем.

4. Высокими эксплуатационными затратами из-за отсутствия автоматической системы управления устройством.

Целью изобретения является повышение надежности, предотвращение истощения водоносного горизонта, расширение условий применения, снижение строительных и эксплуатационных затрат.

Указанная цель достигается тем, что устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев содержит сборный водовод и водоподъемный насос, расположенный в одном из колодцев под динамическим уровнем воды и соединенный вертикальной напорной трубой со сборным водоводом, на котором расположены струйные аппараты, соединенные с вертикальными всасывающими трубами, опущенными под динамические уровни воды в других колодцах, и конструктивные размеры каждого струйного аппарата определяются из условия: где Q_Н - инжектируемый расход воды из колодца; Q_Р - расход основного потока воды на входе в струйный аппарат; d_r - диаметр диффузора; d_c - диаметр рабочего сопла: Р_Р - давление на входе основного потока воды в струйный аппарат; Р_H- давление на входе инжектируемого потока воды в струйный аппарат,
причем водоподъемный насос имеет технические характеристики, обеспечивающие подачу, не превышающую величину расчетного дебита колодца и напор не менее:

где - отметка располагающего напора при подключении сборного водовода к системе водоснабжения;
- отметка динамического уровня воды в колодце;
h_w1 - суммарные потери напора в вертикальной трубе и трубах сборного водовода;
h_w2 - суммарные потери напора в струйных аппаратах,
на вертикальной напорной трубе под динамическим уровнем воды расположен датчик, воспринимающий давление внутри этой трубы и снаружи, выходы которого подсоединены к входам блока управления, у которого выходы подсоединены к пусковому устройству насоса и приводу задвижки на сборном водоводе, за которой по отношению к насосу установлен датчик, воспринимающий давление внутри водовода, выход которого также подключен к входу блока управления.

Расположение водоподъемного насоса в одном из колодцев под динамическим уровнем воды, соединение его вертикальной напорной трубой со сборным водоводом и расположение на нем струйных аппаратов, соединенных с вертикальными всасывающими трубами, опущенными под динамические уровни воды в других колодцах, дает следующие преимущества:
1. Повышается надежность устройства, так как исключается влияние выделяющегося из воды воздуха на процесс транспортирования воды и предотвращается прекращение транспортирования в результате возникновения в сборном водоводе воздушных пробок. Кроме того, надежность повышается за счет того, что водоподъемный насос постоянно находится в воде "под заливом", что исключает влияние высоты всасывания на его работоспособность.

2. Расширяются условия применения устройства, так как в этом случае снимаются ограничения по глубине расположения динамического уровня при добывании воды из колодцев.

3. Снижаются строительные затраты, так как отпадает необходимость устройства сборного колодца, установки вакуум-насоса, расположения на больших глубинах сборного водовода. При соответствующих скоростях движения воды в сборном водоводе, которые обеспечиваются техническими характеристиками водоподъемного насоса, сборный водовод может быть расположен на поверхности земли.

Количество шахтных колодцев, под динамические уровни которых опущены всасывающие трубы, соединенные со струйными аппаратами, расположенными на сборном водоводе, а следовательно, и количество вертикальных всасывающих труб и струйных аппаратов зависит в каждом конкретном случае от расчетных дебитов каждого из колодцев, сопротивления каждой вертикальной всасывающей трубы, параметров d_r и d_c каждого струйного аппарата, а также основных характеристик водоподъемного насоса (напор и подача), расположенного в одном из колодцев под динамическим уровнем воды.

Определение конструктивных размеров струйных аппаратов в соответствии с условиями, исключающими возможность кавитации, также повышает надежность устройства, так как кавитация - нарушение сплошности внутри жидкости. Кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения. Кавитация неблагоприятно отражается на работе насосов.

Предельными условиями бескавитационного режима являются такие, при которых значение объемного коэффициента инжекции равно U₀=U_k, где U_k - объемный коэффициент кавитации. Его величина определяется по формуле:

где Q_H - инжектируемый расход воды из колодца;
Q_P - расход основного потока воды на входе в струйный аппарат.

Это условие выполняется в тех случаях, когда [7]:

где d_r - диаметр диффузора;
d_c - диаметр рабочего сопла;
Р_р - давление на входе основного потока воды в струйный аппарат;
Р_Н - давление на входе инжектируемого потока воды в струйный аппарат.

Применение насоса, имеющего технические характеристики, обеспечивающие подачу воды, не превышающую величину расчетного дебита колодца, в котором он расположен, и напор, равный:

где - отметка располагающего напора при подключении сборного водовода к системе водоснабжения либо отметка максимального уровня воды в напорном баке (P_max);
- отметка динамического уровня воды в колодце;
h_w1 - суммарные потери напора в струйных аппаратах;
h_w2 - потери напора в трубопроводах,
обеспечивает добывание воды из других колодцев и транспортирование требуемого расхода воды в систему водоснабжения и при этом предотвращает истощение водоносного горизонта. В данном случае под расчетным дебитом понимается расход воды, забираемый из колодца, при котором понижение уровня воды не превышает допустимой величины (S_доп) [3], которая должна соответствовать условию:
S_доп0,5Н,
где Н - мощность водоносного пласта [4].

Кроме того, определение конструктивных параметров струйных аппаратов, исключающих кавитацию в совокупности с принятым напором водоподъемного насоса, предотвращает истощение водоносного горизонта при заборе воды через вертикальные всасывающие трубы и струйные аппараты в других колодцах. Обеспечивается это тем, что относительный перепад давления в струйных аппаратах зависит от отношения площадей сечений проточной части этих аппаратов, коэффициентов скорости, коэффициентов инжекции и не зависит от располагающего перепада давлений потока воды в сборном водоводе [6, с.163-164]. Таким образом, подбор соответствующих конструктивных параметров струйных аппаратов можно осуществить так, чтобы отбор воды из колодцев обеспечивал выполнение условия: S_доп0,5Н. Это в свою очередь также способствует повышению надежности устройства.

Установка на вертикальной напорной трубе под динамическим уровнем датчика, воспринимающего давление внутри этой трубы и снаружи, выходы которого соединяются с блоком управления, связанного с пусковым устройством насоса и приводом задвижки, расположенной на сборном водоводе, а также установка за задвижкой по отношению к насосу датчика, воспринимающего давление внутри водовода, выход которого подключен к входу блока управления, дает следующие преимущества:
1. Повышается надежность и предотвращается истощение водоносного горизонта.

2. Снижаются эксплуатационные затраты за счет уменьшения трудозатрат обслуживающего персонала и обеспечения оптимальных режимов работы устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружено. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства, также не выявлены. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема одного из возможных вариантов устройства.

Устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев на чертеже состоит из водоподъемного насоса 1, расположенного под динамическим уровнем воды одного из шахтных колодцев 2, вертикальной напорной трубы 3, соединенной со сборным водоводом 4, на котором в местах его соединения с вертикальными всасывающими трубами 5, опущенными под динамические уровни воды в колодцах 2, расположены струйные аппараты 6. В струйных аппаратах происходит смешение и обмен энергией двух потоков разных давлений с образованием смешанного потока с промежуточным давлением. Потоки рабочей и инжектируемой сред поступают в камеру смешения, где происходит выравнивание скоростей, сопровождающееся повышением давления. Повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии является основным, принципиальным качеством струйных аппаратов [6].

Сборный водовод 4 соединен с напорным баком 7 (один из вариантов) либо с другим элементом системы водоснабжения. На вертикальной трубе 3 под динамическим уровнем расположен датчик 8, воспринимающий давление внутри этой трубы и снаружи. В качестве варианта может быть использован тензорезисторный датчик [5]. Выходы датчика 8 подсоединены к входам блока управления 9, выходы которого подсоединены к пусковому устройству 10 насоса 1 и к приводу задвижки 11, которая расположена на сборном водоводе 4.

Кроме того, на сборном водоводе 4 за задвижкой 11 по отношению к насосу 1 расположен датчик 12, воспринимающий давление в сборном водоводе 4, выход которого подключен к входу блока управления 9.

Устройство (чертеж) работает следующим образом: при отключенном насосе 1 задвижка 11 закрыта; перед включением насоса 1 по сигналу датчика 12 проверяется положение уровня воды в напорном баке 7 либо располагающее давление в точке подключения сборного водовода 4 к системе водоснабжения. Эти величины вводятся в виде уставок в блок управления 9 с учетом максимальных и минимальных величин (P_max и Р_min). Затем по сигналу датчика 8 проверяется положение уровня воды в колодце 2 (Р_ув), которое при неработающем насосе должно быть выше минимального допустимого динамического уровня воды в колодце Величина давления, соответствующая положению динамического уровня воды, также в виде уставки вводится в блок управления 9. Насос 1 включается только в том случае, когда уровень воды в баке 7 (Р₁) меньше P_max и Но сигналу блока управления 9 включается пусковое устройство 10 насоса 1 и одновременно начинается медленное открытие задвижки 11. При этом датчиками 8 и 12 контролируются: давление в трубе 3 (Р_т), положение уровня Р_ув и положение уровня Р₁. Открытие задвижки 11 прекращается в том случае, когда давление Р₁ в трубе 3 достигнет величины, соответствующей располагающему давлению P_max, т.е. когда напор, развиваемый насосом, достигнет расчетной величины Н, которая в виде уставки введена в блок управления 9. Это соответствует рабочему режиму установки. При рабочем режиме вода откачивается из колодца 2 насосом 1 и инжектируется из других колодцев струйными аппаратами 6, поступает в сборный водовод 4 и транспортируется в напорный бак 7 либо в другие элементы системы водоснабжения. Отключение насоса 1 по сигналу блока управления 9 может производиться в следующих случаях:
а) когда уровень P₁ достигнет P_max;
б) когда уровень Р_ув опустится ниже В этом случае срабатывает сигнал: "уровень в колодце ниже допустимого";
в) когда давление в трубе 3 после пуска насоса не увеличивается, либо когда при полном открытии задвижки 11 напор, развиваемый насосом 1, не достигает величины Н. В этом случае срабатывает сигнал "авария".

После отключения насоса 1 по сигналу блока управления 9 закрывается задвижка 11. При работе в нормальном режиме очередное включение насоса производится в том случае, когда уровень воды в напорном баке Р₁ опустится до уровня P_min(P₁=P_min).

По сравнению с базовым объектом, в качестве которого принят прототип, предложенное устройство обладает следующими преимуществами:
1. Высокая надежность.

2. Расширяются условия применения устройства за счет возможности добывания воды с больших глубин.

3. Снижается строительная стоимость за счет того, что не требуется устройство сборного колодца, прокладка сборного водовода возможна на небольших глубинах или на поверхности земли, уменьшается количество задвижек и других видов арматуры.

4. Уменьшаются эксплуатационные затраты за счет обеспечения работы устройства в автоматическом режиме.

Предложенное устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев можно использовать для локального и централизованного водоснабжения населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Устройство можно также использовать для временного полевого и военного водоснабжения.

Источники информации
1. Оводов B. C. Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение. - М.: Колос, 1984. - С.73-74, рис.1.57.

2. Николадзе Г.И. Водоснабжение. - М.: Стройиздат, 1979. - с.81, рис.VI-3.

3. Руководство по проектированию сооружений для забора подземных вод. - М.: Стройиздат, 1978. - С.44-46.

4. Белан А. Е. , Хоружий П.Д. Проектирование и расчет устройств водоснабжения. - Киев: Будивельник, 1981. - С.39-40.

5. Лукьянов В.И., Чудновский С.М., Таран А.П., Львов Ю.М. Авт. св. СССР 1211410. Кл. Е 21 В 47/10. Устройство для эксплуатации скважин. Опубл. 15.02.86. Бюл. 6.

6. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970. - 284 с.

7. Лямаев Б.Ф. Расчет и подбор струйных аппаратов для систем водоснабжения. - Л., 1969.

Формула изобретения

Устройство для добывания воды из группы шахтных колодцев, содержащее сборный водовод и водоподъемный насос, отличающееся тем, что водоподъемный насос, расположенный в одном из колодцев под динамическим уровнем воды, соединен вертикальной напорной трубой со сборным водоводом, на котором расположены струйные аппараты, соединенные с вертикальными всасывающими трубами, опущенными под динамические уровни воды в других колодцах, а конструктивные размеры каждого струйного аппарата определяются из условия

где Q_H - инжектируемый расход воды из колодца;
Q_P - расход основного потока воды на входе в струйный аппарат;
d_r - диаметр диффузора;
d_c - диаметр рабочего сопла;
Р_р - давление на входе основного потока воды в струйный аппарат;
Р_H - давление на входе инжектируемого потока воды в струйный аппарат,
причем водоподъемный насос имеет технические характеристики, обеспечивающие подачу, не превышающую величину расчетного дебита колодца, и напор не менее

где - отметка располагающего напора при подключении сборного водовода к системе водоснабжения;
- отметка динамического уровня воды в колодце;
h_w1 - суммарные потери напора в вертикальной трубе и трубах сборного водовода;
h_w2 - суммарные потери напора в струйных аппаратах,
на вертикальной напорной трубе под динамическим уровнем воды расположен датчик, воспринимающий давление внутри этой трубы и снаружи, выходы которого подсоединены к входам блока управления, у которого выходы подсоединены к пусковому устройству насоса и приводу задвижки на сборном водоводе, за которой по отношению к насосу, установлен датчик, воспринимающий давление внутри водовода, выход которого также подключен к входу блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1