从流体流中析取颗粒的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及一种析取设备，该设备通过液压系统使用流体的流动，用于从充满固体的流体中除去砂砾或其他颗粒。发明背景
用于流体污水的一种已知的砂砾析取装置包括连接到圆形的沉淀室的入口和出口沟槽或液槽。这类装置具有大约4比1的典型的流率降低系数。
在已知的砂砾析取装置中，流速是确定降低系数的重要因素。流速必须保持在大约每秒1.5英尺到大约每秒3.5英尺之间。低于每秒1.5英尺的流速将趋向于使砂砾留在很难通过流体流去除的析取器沟槽中。因此，沟槽不得不进行手工清洁。对于超过每秒1.5英尺的流速，该流是汹涌的。当该流过于汹涌(即其流速超过每秒3.5英尺)时，砂砾将不移动到流的底部(在流的底部，砂砾能够有效地附着在室的底部)，并且不能保持在室的底部以被移动到中央砂砾存储室。
在美国专利4,767,532、4,107,038和3,941,698中披露了砂砾析取器装置。这些专利中的砂砾析取器装置将流体和砂砾导入到一圆形室中，在该圆形室中，该室中的合成液压系统控制砂砾去除地程度。在这些析取器装置中，液压流具有一种自然的趋势，即尽可能快地从入口流到出口。特别是对于低水位流，这种趋势导致在室中出现一些短的循环，从而导致非最优的砂砾去除。从圆形室中流出的流穿过宽阔的区域。由于与环流成直角，则流出物具有较大的径向分量，导致圆周速度降低。降低的圆周速度可能导致移动砂砾的无效速度，使得砂砾在室底板上累积，这特别发生在较低的流体流率的情况下。
由于流速是液槽宽度(其具有固定的尺寸)、流体流量和在液槽中流体流的高度的函数，因此对进入室中的流体流速度的控制很少。如果速度太快，则砂砾在流中均匀地悬浮或分布。均匀分布的砂砾更加难以回收。如果入口或流入液槽中的水位增高，则通过升高出口或流出液槽的高度，在低水位处的速度将降低并导致在室中或流入液槽中的砂砾累积。由于这些设计限制，典型的4比1的降低系数是一个设计限制。
本发明人已经认识到了提供一种砂砾析取器装置的需要，该砂砾析取器装置被设计用于未来所期望的高流率，而且仍然能够有效地在现在的低流率中运用。例如，如果每日峰值流与每日最小流的差额是大约3比1到4比1，则可以理解包括在设计中的未来的峰值或最大流率可能增加到更大的量，比如是目前最大流率的两倍。因此从目前的最小流到未来的最大或峰值流的降低系数将达到6比1到8比1。
本发明人已经认识到减小这样的析取器装置的面积或“占地面积(footprint)”的需要，以使该装置适合现有的建筑，从而在现有的析取器装置所占据的同样空间内可以安装更大的析取器装置，或者为了在新的成套设备中使空间最小化。发明内容
根据本发明的砂砾析取器装置通过使用液压流来旋转充满砂砾的流体达到了最优的砂砾去除，从而砂砾以足够低的速度接触砂砾去除室的底部以沉积在该底部。该速度足够的快，从而液压流产生移动力，该移动力沿着该室的底板逐渐地将砂砾推到中心，在该中心，砂砾被收集在存储室中以被去除。
本发明提供了一种新颖结构，以控制圆形室中和入口及出口沟槽或液槽中的流体和砂砾的流动。进入和离开该室的流速由出口液槽的进口宽度控制。通过进入狭窄液槽的流体水位的液压现象的新型应用，速度被控制在超过10比1的范围。根据本发明，达到流的10比1变化的同时，有效的流速在每秒1.5英尺到每秒3.5英尺的范围内。
流速的液压控制装置设置在砂砾室的内部，而不是如现有的砂砾去除设备那样在该室的外部。这个特性降低了该部件占据的面积并且显著地减小了安装占地面积。本发明的砂砾析取器装置增加了砂砾去除的效率。
从下面本发明及其实施例的详细描述中、从权利要求中以及从随附的附图中，本发明的很多其他优点和特征将变得更加明显。附图简要说明
图1是本发明的砂砾析取器装置的示意性剖视图。
图2是流体流曲线图解示意图。
图3是图1的装置的低水位的示意性俯视图。
图4是图1的装置的高水位的示意性俯视图。
图5是沿着图1的5-5线所截取的示意性剖视图。优选实施例的详细说明
尽管本发明可以有很多不同形式的实施例，但在附图中示出并且在这里仅描述了本发明的特定实施例。应该理解，本公开应该被认为是发明原理的例子，而不意味着把发明限制到示出的特定实施例。
图1示出了用于将砂砾从进入该装置的充满砂砾的流体71中分离出来的装置10。入口沟槽40具有入口管道41，该入口管道41将流体71以小角度向下传送。接近砂砾去除室11时，通道41变成水平的。在室11的交叉处，沟槽底部43位于与砂砾去除室11的底部13相同的高度。管道41的一个垂直壁42正切于室11的壁22，其中在该正切处壁42终止。垂直壁44平行于壁42并且在入口位置48进入室壁22(如图3所示)。壁45跨过室11伸展到入口开口46。在开口46处，充满砂砾的流体进入室11，围绕室的壁22圆周形流动。管道41的顶部47平行于底部13，并且成为排液槽55的底部，其中排液槽55跨过室11伸展。由顶部47、壁45、底部13和壁22形成流入隧道。
砂砾去除室的一个例子包括直径18英尺、高9英尺的壁22，用于每天3千万加仑的流率。
充满砂砾的流体从开口46环绕室11的内圆周流动，如虚线所示箭头所示，形成流的低通道56。由于离心力导致在稍微高的顶端的位于壁22的流体沿着壁22下流到底部13，跨过底板13到达中心孔15。随着旋转速度的径向速度分量导致流57的螺旋形运动(由“G-箭头”所示)。当流体形成一层薄膜、跨越底板13分布时，该流体中的砂砾与底部接触。砂砾接触底板并沉积在底板上。流57的螺旋形运动将使砂砾跨过底板13移动到中心孔15。
由齿轮传动装置19和传动轴18驱动的桨17以快于环绕流体的旋转速度旋转。结果是跨过底板13的从桨向上的泵吸力在砂砾上产生额外的推动力。有足够的速度来传送较轻的有机物向上通过桨到达表面。流以与离心力相同的方式穿过流体的表面运动，加强了离心力。砂砾跨过底板移动，向下落入中心孔15进入到下面的砂砾存储室(未示出)。砂砾存储室和砂砾去除装置可以如美国专利4,767,532、4,107,038或3,941,698披露的那样。在这里完全引入上述专利作为参考。
减少了砂砾的流体环绕装置的靠近壁22的内周在流的低通道56内流动。壁45和搁板64一起限定环绕壳体内周流动的流的高通道和低通道56、58。流的低通道56在搁板64的下面流动并且被壁45偏转。由于陷落在搁板64、壁22、底部13和流体59的更慢旋转内柱面之间，因此流的低通道56被强迫向上。流的通道现在位于流体高度的上半部，形成流的高通道58，其中流的高通道58环绕室的上部圆周靠近壁22流动(如虚线箭头所示)。
流的高通道58流入出口开口65a，其中开口65a由壁22、壁62和底板64限定的液槽65形成。进入水槽的开口65a的宽度Y比入口沟槽40的进口宽度W窄。这个更窄的开口导致砂砾去除室11中的更高的流体水位，以迫使进入的流通过更窄的开口65a。流体通过液槽65流入退出液槽66，其中退出液槽66由从壁22延伸的壁52、壁60和底板67限定。然后该流退出该装置，到达下一步的装置或其他的目的地(未示出)。
为了在最优性能下运行，有必要在所有的工艺流程具有大约每秒1.5英尺到每秒3.5英尺之间的流入速度。在这个流范围内，沉积出流的较大的砂砾将沿着底部运动，并且流中较小的砂砾将以较大比重集中到底部附近。在这个速度范围内，由于砂砾已经在或者接近流的底部，因此砂砾将更易于去除。然而，如果流速太慢，沉积在底部的重的砂砾将不沿着底部移动。这导致砂砾累积在入口液槽中，而不是累积在室中。如果速度太高，则砂砾将被混合成异质的流，使得砂砾难于附着到室的底板。结果是糟糕的去除效率。范围在每秒1.5英尺到每秒3.5英尺之间的速度范围已经被确定是有效的运行范围。
图2示出了流中不同的砂砾尺寸在不同速度下的关系。对于污水中最大量存在的砂砾尺寸，每秒1.5英尺到每秒3.5英尺之间的流体速度产生了最优沉积和床(bed)流。
为了控制入口速度，液槽65的尺寸Y可以变化。这控制了砂砾室11中的流体70的深度，也反映了流入沟槽40的流体的高度H。对于特定的流部件来说，流入沟槽40的进口宽度W是固定的。如果H在适当的流系数内变化，则入口流对于不同的流将保持在预定的速度范围内。
进入液槽65的流的高度根据下面的公式变化：
H＝(Q/3.09Y)2/3 U＝Q/WH
其中，Q＝流(英尺3/每秒)；
Y＝液槽的宽度(英尺)；
U＝速度(英尺/秒)；
W＝宽度(英尺)；
H＝高度(英尺)。
开口46控制进入砂砾去除室11的流入速度。开口的高度与壁44的高度相同。开口的宽度是：
X(W)，其中X是一个百分数并且
W是以英尺为单位的流入的宽度，并且
X为65％到85％，最优为75％。
通过使流入流以适当的速度通过靠近壁22的受限入口开口46，环绕砂砾室11的内圆周形成流的通道56。流的高通道58进一步环绕壁22的内表面限定和限制了流的通道56。
流的两个通道56、58的存在迫使流体环绕室11旋转两圈才退出，为砂砾的去除提供了更多的机会。当流的通道56、58以同样的速度旋转时，它们并不混合。搁板64、壁22和壁62分离离开室11的流，而不在室11中产生任何大的湍流。
流的高和低通道56、58具有大约相同的尺寸环绕壁22的内圆周流动。隧道的顶部47使流象喷管一样以直线方式流出。流的上部旋转形成的通道58在进入流体的上面流动，其中进入流体形成了流的低通道56。这防止了位于流的低通道56的顶部的反涡流。结果是：进入室11的流体保持流的形成低通道56。
当这样的流通道56环绕壁22的内圆周旋转时，它在退出液槽65的底部64的下面滑动。这防止了流将形成通道56的顶部剥落。剥落的防止是由退出液槽65的凸出部分Z导致的。Z的尺寸应该从2英尺(对于小部件)到3英尺(对于大部件)变化。
凸出部分Z还将旋转通道58限制成进入液槽65的形成通道的尺寸，其中旋转通道58顺时针经过液槽65形成。在这方面，圆周壁22起到类似通道底部的作用。室11的底板13起到类似通道侧面的作用。液槽65的底部64起到类似通道侧面的作用。这些屏障迫使流56的通道流动经过液槽65并且被壁45和60迫使向上，以最小的尺寸变化来形成流58的顶部旋转通道。
流的高形成通道58以与流的低形成通道56大约相同的速度和尺寸环绕壁60和圆周壁22移动到退出液槽65。流的每个形成通道大约是室11的深度的一半。
进入和离开室的速度由液槽65的宽度Y控制。通过进入狭窄液槽的流体水位为系数H＝(Q/3.09Y)2/3的液压现象的新型应用，这个速度被控制超过10比1的流率。
作为降低系数的说明，下面描述进入液槽40的两个流率：
Q＝46.42(英尺3/每秒) Q＝4.64(英尺3/每秒)
Y＝3(英尺) Y＝3(英尺)
H＝2.93(英尺) H＝0.63(英尺)
U＝46.42/2.5(2.93)＝3.5(英尺/每秒) U＝4.64/4.5(0.63)＝1.6(英尺/每秒)
这两种情况都是对于4.5英尺宽的入口。对于在这个10比1的流率降低，速度保持在需要的每秒1.5英尺到每秒3.5英尺的范围内。
在前面的计算中，在峰流时，液槽宽度Y为3英尺，流退出的高度为2.93英尺，得出浸水面积为8.79平方英尺。在峰流46.42英尺3/秒时，经过液槽65的速度为46.42/8.79＝5.3英尺/秒。在最小流时经过的速度为4.64/3(0.63)英尺3/秒＝2.5英尺/秒。进入液槽65的开口65a的这些高退出速度趋向于牵引流体环绕圆周壁22，以使通道58形成以这个速度流动。室的入口开口46通常具有大约与退出液槽65相同的宽度X(W)：(0.75)(4.5)＝3.4英尺。这个共有的宽度形成了环绕圆周流动的通道流速(2.5+0.42)/2＝1.5英尺/秒。在最低的流，形成通道的速度大约是入口和出口速度的平均值。至少的，很容易看出室中的速度永远不会低于最小速度，以使得砂砾保持足够的速度移动。
当流入流减少时，在室11中旋转的流体的高度降低。在1/10最大流时高度的下降几乎为一半。这意味着有少量的流体旋转。更少的量导致进入流体需要更慢的速度以保持旋转速度。这可以通过以下事实证明：在入口速度降低到1/10最大速度时，旋转速度只下降到最大所需3.5英尺每秒的速度的大约一半，到1.6英尺每秒的旋转速度。
从前面所述，可以看到能够进行许多的变化和变形，而不需要偏离该发明的精髓和范围。应该理解，对于在这里示出的特定装置，不应该认为是限制。实际上，应由所附的权利要求来限制保护范围，所有的变化都落入权利要求的保护范围内。