Электроимпульсная установка для обеззараживания жидкостей

 

Установка относится к области обеззараживания (дезинфекции) жидкостей, включая питьевую и сточную воды, и может быть использована для снижения бактериальной зараженности сточных вод в процессе подготовки питьевой воды. Установка имеет камеру для обработки жидкости, внутренняя стенка которой представляет собой поверхность овалоида вращения вокруг его малой оси. Соосно с ней скомпонован электроразрядный узел из двух коаксиальных изолированных проводников, оканчивающихся электродами, погруженными в жидкость симметрично относительно большой оси камеры. Установка имеет генератор импульсов тока, коммутирующий разрядник, подводящую и отводящую гидросистемы. Технический результат состоит в значительном обеззараживающем эффекте при низкой удельной энергоемкости. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области обеззараживания (дезинфекции) жидкостей, включая питьевую и сточную воды, и может быть использовано для снижения бактериальной зараженности сточных вод, в процессе подготовки питьевой воды. Оно может послужить основой при создании установок для обеззараживания жидких пищевых продуктов (соков, молока и др.), может найти применение в других областях науки и техники, в которых используется электроимпульсная технология.

Известно устройство для обеззараживания воды электрическими разрядами, состоящее из генератора высоковольтных импульсов, воздушного разрядника, камеры с электродной системой, в которой производится обработка воды [1] (Авт. свид. СССР 960130, кл. C 02 F 1/48, 1982).

Недостатком устройства является высокая удельная энергоемкость (1,2-1,5 кВт·ч/м³), что является основным препятствием для его практического внедрения.

Наиболее близким к изобретению является устройство для очистки питьевых и сточных вод от бактериального загрязнения [2], содержащее трубопровод для протекания очищаемой жидкости с подводящими и отводящими фланцами или штуцерами, одну или несколько пар электродов, отделенных изоляцией от трубопровода, на которые подаются импульсы электрического тока от высоковольтного источника, генерирующие ударные водны, вызывающие дезинтеграцию и гибель микроорганизмов (Авт. свид. СССР 225799, кл. C 02 F 1/48, 1983). Известно также, что для увеличения крутизны фронта импульса тока электрического разряда (для увеличения амплитуды ударных волн) в электрических схемах таких устройств используются коммутирующие разрядники [3].

Однако, и это устройство, как и [1], не может найти практического применения из-за высокой удельной энергоемкости (~ 1 кВт·ч/м³).

Технический результат заявляемого изобретения состоит в значительном обеззараживающем эффекте при низкой удельной энергоемкости (0,02-0,2 кВт·ч/м³ в зависимости от типа обрабатываемой жидкости). Указанный результат достигается следующим образом. Электроимпульсная установка для обеззараживания жидкостей имеет камеру для обработки жидкости с электроразрядным узлом, генератор импульсов тока, коммутирующий разрядник, подводящую и отводящую гидросистемы. При этом внутренняя стенка камеры представляет собой поверхность овалоида вращения вокруг его малой оси. Профиль камеры выбирается таким образом, чтобы форма внутренней стенки совпадала с поверхностью равных амплитуд, генерируемых в жидкости импульсов давления (изобарой). Для большой оси камеры D (при D до 400 мм) профиль изменяется по закону D·K(ϕ), где ϕ - угол, отсчитываемый от большой оси камеры, K(ϕ) = 5,7·ϕ²/π²-4,25·|ϕ|/π+1 (график функции K(ϕ) приведен на фиг. 1) [4]. Электроразрядный узел расположен по малой оси камеры (т.е. камера и электроразрядный узел компонуются соосно) и выполнен из двух коаксиально расположенных изолированных проводников, оканчивающихся электродами, погруженными в жидкость симметрично относительно большой оси камеры. Одна пара клемм генератора и электроразрядного узла имеет непосредственный электрический контакт, а вторая пара клемм разделяется коммутирующим разрядником, один из электродов которого расположен непосредственно на ошиновке генератора, а второй - на внутреннем проводнике электроразрядного узла. Для снижения габаритов токоподводящих элементов и установки в целом генератор импульсов тока и коммутирующий разрядник могут компоноваться соосно с камерой и электроразрядным узлом, а генератор импульсов тока может располагаться над камерой для обработки жидкости или вокруг нее. При необходимости, связанной с условиями эксплуатации, подводящая гидросистема электроимпульсной установки может быть снабжена устройством для регулирования уровня жидкости в рабочей камере, соединенным с камерой через гаситель импульсов давления, выполненный, например, в виде набора плоских или конических несоосных диафрагм (т.е. оси одного или нескольких отверстий в диафрагме смещены относительно осей отверстий соседних диафрагм), а отводящая система может быть снабжена осесимметричным водосборником для приема выплескиваемой при разряде жидкости, расположенным внутри рабочей камеры выше уровня жидкости, набором регулируемых отверстий в стенке камеры на уровне водосборника, осесимметричным коллектором, расположенным на внешней стенке камеры, и отводящим трубопроводом.

Таким образом, технический результат достигается за счет профилирования камеры, позволяющего при фиксированной энергии разряда обработать максимально возможный объем жидкости, а также за счет соосной компоновки камеры и электроразрядного узла с коаксиально расположенными электродами, благодаря чему достигается низкая индуктивность электрического контура установки и, соответственно, высокая крутизна импульса тока. Кроме того, компоновка генератора импульсов тока и коммутирующего разрядника соосно с камерой и электроразрядным узлом и расположение генератора импульсов тока над или вокруг камеры для обработки жидкости, конструкция подводящей гидросистемы, позволяющей поддерживать необходимый уровень жидкости в камере в условиях действия нагрузок от ударных волн, конструкция отводящей гидросистемы, использующая часть энергии ударных волн, улучшают указанный выше технический результат.

На фиг. 1 представлена угловая зависимость коэффициента K(ϕ), необходимого для расчета профиля внутренней стенки камеры.

На фиг. 2, 3 приведены схемы предлагаемой электроимпульсной установки с двумя вариантами расположения генератора импульсов тока: на фиг. 2 - генератор расположен над камерой (такая компоновка целесообразна при малой производительности установки), а на фиг. 3 - вокруг камеры (это целесообразно для случая большой производительности установки, когда вес генератора может быть значительным).

На фиг. 4 показан пример конструктивного исполнения электроразрядного узла в виде двух коаксиальных проводников в сборе с коммутирующим разрядником.

В состав установки (фиг. 2, 3) входят генератор импульсов тока 1, профилированная камера 2 для обработки жидкости, расположенный по оси камеры электроразрядный узел 3, выполненный из двух коаксиально расположенных и изолированных друг от друга проводников, оканчивающихся электродами 4, коммутирующий разрядник 5. Причем генератор импульсов тока 1 и электроразрядный узел 3 через одну пару клемм 6 имеют непосредственный электрический контакт, а вторая пара клемм 7 - разделяется коммутирующим разрядником 5, один из электродов которого расположен непосредственно на ошиновке генератора 1, а второй - на внутреннем проводнике электроразрядного узла 3. Кроме того, для поддержания необходимого уровня жидкости в камере в условиях действия нагрузок от ударных волн подводящая гидросистема 8 может быть снабжена устройством 9 с гасителем импульсов давления, представляющим собой, например, набор плоских или конических диафрагм 10. Для приема выплескиваемой за счет энергии ударных волн жидкости отводящую систему целесообразно выполнить из осесимметричного водосборника 11, расположенного внутри рабочей камеры 2 выше уровня жидкости, набора регулируемых отверстий 12 в стенке камеры на уровне водосборника 11, осесимметричного коллектора 13, расположенного на внешней стенке рабочей камеры, и отводящего трубопровода 14.

Соосное расположение генератора импульсов тока 1, камеры 2, электроразрядного узла 3 (пример исполнения которого в виде двух коаксиальных проводников приведен на фиг. 4), коммутирующего разрядника 5, а также выполнение электрических контактов 6, 7, как показано на фиг. 1, 2, позволяют значительно снизить индуктивность электрического контура ЭИ установки, увеличить крутизну переднего фронта импульса разрядного тока и генерировать ударные волны при низких энергозатратах. Поддержание необходимого уровня жидкости в камере в условиях действия нагрузок от ударных волн, обеспечиваемое устройством 9, отвод обработанной жидкости за счет части энергии ударных волн, не требующий специальных систем (насосов и т.п.), повышает экономичность установки.

Предложенная установка работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость через гидросистему 8 подается в камеру 2, где подвергается воздействию ударных волн, генерируемых импульсным электрическим разрядом, возникающим между электродами 4. Режим обработки (моноимпульсный или частотно-импульсный) задается генератором импульсов тока 1. Заданный уровень жидкости в камере 2 может поддерживаться с помощью устройства 9, установленного вне камеры. При каждом разряде часть обработанной жидкости за счет энергии ударных волн выплескивается в водосборник 11 и через отверстия 12, попадая в коллектор 13, отводится через трубопровод 14.

Экспериментальное подтверждение целесообразности выбора основных признаков предлагаемого изобретения, составляющих его суть, было проведено на модельных ЭИ установках различного масштаба, а также на пилотных ЭИ установках для обеззараживания сточной воды производительностью до 5 и 5·10⁴м/сут. Достигнутые удельные энергоемкости для биологически очищенной и доочищенной сточных вод составили соответственно ~ 0,2 и 0,02 кВт·ч/м³. Возможность промышленного применения ЭИ установок с подобными характеристиками рассмотрена в работе [5].

Таким образом, на основании результатов экспериментальной проверки установлено, что предложенная установка за счет выбранной конструкции камеры соответствующего профиля, соосного расположения генератора импульсов тока, камеры, электроразрядного узла и коммутирующего разрядника, а также предложенной конструкции подводящей и отводящей гидросистем позволяет достичь высокой эффективности обеззараживания при существенно более низкой удельной энергоемкости (0,02 - 0,2 кВт·ч/м³) по сравнению с [1, 2].

Источники информации.

1. А.с. СССР N 960130 от 23.09.82 C 02 F 1/48.

2. A.с. СССР N 225799 от 15.05.83 C 02 F 1/48 - прототип.

3. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект. М.-Л., Гос. науч.-техн. изд-во маш. лит., 1955.

4. Кривицкий Е.В., Шамко В.В. Переходные процессы при высоковольтном разряде в воде. К., Наукова думка, 1979.

5. Нагель Ю.А., Зарков О.А., Уварова И.В., Эль Ю.Ф., Филимонова Е.В. Водоснабжение и санитарная техника. 1997. N 6. С. 26-27.

Формула изобретения

1. Электроимпульсная установка для обеззараживания жидкостей, содержащая камеру для обработки жидкости с электроразрядным узлом, генератор импульсов тока, коммутирующий разрядник, подводящую и отводящую гидросистемы, отличающаяся тем, что внутренняя стенка камеры представляет собой поверхность овалоида вращения вокруг его малой оси, электроразрядный узел выполнен из двух коаксиальных изолированных проводников, оканчивающихся электродами, погруженными в жидкость симметрично относительно большой оси камеры, при этом одна пара клемм электроразрядного узла и генератора импульсов тока имеет непосредственный электрический контакт, а вторая пара клемм разделяется коммутирующим разрядником, один из электродов которого расположен непосредственно на ошиновке генератора, а второй - на внутреннем проводнике электроразрядного узла, при этом камера и электроразрядный узел компонуются соосно.

2. Электроимпульсная установка по п.1, отличающаяся тем, что генератор импульсов тока и коммутирующий разрядник компонуются соосно с камерой и электроразрядным узлом.

3. Электроимпульсная установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что генератор импульсов тока располагается над камерой для обработки жидкости или вокруг нее.

4. Электроимпульсная установка по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что подводящая гидросистема снабжена устройством для регулирования уровня жидкости в камере, соединенным с камерой через гаситель импульсов давления, выполненный, например, в виде набора плоских или конических несоосных диафрагм.

5. Электроимпульсная установка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что отводящая система состоит из осесимметричного водосборника для приема выплескиваемой при разряде жидкости, расположенного внутри камеры выше уровня жидкости, набора регулируемых отверстий в стенке камеры на уровне водосборника, осесимметричного коллектора, расположенного на внешней стенке камеры, и отводящего трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4