[发明专利]双螺旋水沙分离装置

说明书

技术领域

本发明是一种动静结合式的双螺旋水力装置。

技术背景

我国华北、西北黄土和新疆一带的众多河流都具有高浑浊水的特点，含沙量高，泥沙质地均匀，颗粒极细，水沙分离的难度极大。河水的泥沙浓度达数十、甚至数百千克每立方米，并且泥沙粒径极细，一般小于0.03mm粒径的泥沙占含沙总量的40%以上，处理起来十分困难，给灌溉给水造成了巨大的能耗和负担。而当下，我国较为普遍的分沙装置都仅仅利用沙在水中依靠自身重力沉降的原理实现分沙，造成了分沙效率慢、分离程度低的现状，而本装置则利用水的动力条件和静力条件结合的方式，实现了高效率地分沙。

发明内容

通过分析水沙混合流体中的两相流体（即连续相-水，分散相-沙）的特性，结合科氏力理论、沙在水中的受力特征、水流连续性方程等基本力学知识设计出了一种动静式双螺旋水沙分离装置。

本发明实现发明目的的技术方案是：双螺旋水沙分离装置，其特征是：水流分成流速和流量都相等的两股，分别从前方切向进水口和后方切向进水口进入装置的动水分沙部分A，在其中形成较强的漩涡流，水流的流速能够达到漩涡流产生的科氏力大于离心力，分散相-沙向中心汇聚，进而含沙的弃水从下方的第一级弃沙口排出，调节手动闸阀使能够及时排沙同时控制上方的第一级清水出口的流量（因为水的含沙量，即含沙的浓度是基本一定的，手动闸阀控制在某一个固定的阀门孔径大小，就能够及时排除泥沙，确保泥沙不会堆积），第一级清水从上方进入到装置的静水分沙部分B，在静水分沙部分B前段设置有缓冲区，在缓冲区下方设置定缓冲区定时闸阀，定时开启缓冲区定时闸阀清除积沙；在静水分沙部分B，夹杂着沙的水流绕着螺旋楼梯板缓慢上升，在静水分沙部分B下部设倒锥并安装二级弃沙口定时闸阀，定时开启二级弃沙口定时闸阀清除积沙，清水沿着螺旋楼梯板下表面慢慢向上移动，从第二级清水出口溢出，而沙则从第二级弃沙口排出。

缓冲区定时闸阀和二级弃沙口定时闸阀都改进为自动控制的闸阀。因为来水的含沙量是一定的，根据初期的运行，能够得到泥沙堆积与时间的关系，得到一个合理的排沙间隔时间也是可行的。自动控制的闸阀实现的原理：在水中设置一对二极管，一个为发光二极管，一个为光敏二极管，光敏二极管采集到的光照变弱到一定的程度（即设定的闸阀开启的阈值）控制闸阀开启。光控器件是自动控制中常用的一种技术，是能够实现的。

本专利能起到的功能是：本装置能通过动水分沙部分利用两股切向水流形成强大的漩涡流，并巧妙结合科氏力理论，完成高效的水力分沙，且不依靠外界能量。静水沉沙部分采用螺旋楼梯结构使得沙能在很短的垂直距离内吸附到楼梯板上，并且极大增加沙从顶部到顶部的运动距离，有足够的时间完成沉降。二级弃沙口定时闸阀打开时，上部的水能够将螺旋楼梯板上沉积的泥沙的大部分的冲击到二级弃沙口定时闸阀，然后排出。两部分结合运用能将浑水中的水沙进行较高程度、较快速度的分离，且不依靠外界能量，无需添加任何化学用剂。该装置能够适用于大粒径、小粒径的水沙分离，可以很好地满足农田灌溉取水的需要。

附图说明

图1是双螺旋水沙分离装置示意图；

1：前方切向进水口；2：后方切向进水口；3：第一级弃沙口；4：第一级清水出口；5：手动闸阀；6：缓冲区；7：第二级弃沙口；8：螺旋楼梯板；9：第二级清水出口；10：螺旋流；11：二级弃沙口定时闸阀； 12：缓冲区定时闸阀。

具体实施方式

速度较高的含沙水流分成流速和流量相等（高度差相等和管径相等来实现）的两股分别从前方切向进水口1和后方切向进水口2进入装置的动水分沙部分A，在其中形成较强的漩涡流10。当漩涡流产生的科氏力大于离心力时（通过提高水流速度实现，即提高入水口的高度来实现），分散相-沙会向中心汇聚，进而含沙的弃水会从第一级弃沙口3排出。而当入口流量大于弃水流量（第一级弃沙口3排沙所带走的流量）时，会有多余的较清澈的第一级清水从第一级清水出口4溢出，并进入到装置的静水分沙部分B。并且可以通过手动闸阀5调节出清水的流量（手动闸阀）。在静水分沙部分B部分前段设置有缓冲区6，使水的行进流速变小，并在下方设置小型定时自动水阀排除缓冲区沉淀的积沙。在静水分沙部分B中，水流和沙绕着螺旋楼梯板8缓慢上升。螺旋楼梯板能减小沙沉降的距离并加长沙行进的距离，使得沙更容易沉降在斜板（螺旋的梯板）上。在缓冲区围观设有缓冲区定时闸阀12，定时排除缓冲区淤积的沙。螺旋板上覆盖的适量的沙能改变螺旋板的水力条件，进一步使得沙更容易沉降。在静水分沙部分B装置下部设倒锥并安装二级弃沙口定时闸阀11，定时开启阀门清除积沙，实现零人工实时运行。清水沿着螺旋楼梯板下表面慢慢向上移动，最后从第二级清水出口9溢出，而沙则在最后从第二级弃沙口7排出，通过二级弃沙口定时闸阀11控制排沙。整个过程能够使得水沙极高程度的分离，通过模型试验，该装置分沙率可达95%以上，自动闸阀的应用能够实现二十四小时零人工地分沙，能够满足农业灌溉、生活用水的要求。