Устройство очистки и обеззараживания воды
Изобретение относится к устройствам для очистки и обеззараживания воды и может быть использовано в любой отрасли для улучшения качества воды. Устройство содержит корпус со входными и выходным патрубками, образующими рабочую камеру. В рабочей камере расположено статорное кольцо и на приводном валу ротор с роторным кольцом. Кольца имеют отверстия для прохода воды. Ротор выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса. Ширина каждого отверстия роторного кольца равна ширине каждого отверстия статорного кольца. Устройство снабжено вторым аналогичным ротором, зеркально симметричным первому ротору. На статорном кольце дополнительно выполнены отверстия, соответствующие отверстиям второго ротора. Между поверхностями статора и корпуса образована общая рабочая область. Статорное кольцо имеет ребра жесткости. На внутренней стенке корпуса установлен рефлектор. На приводном валу может быть размещено несколько рабочих камер. Устройство может иметь автономный привод и быть установленным на шасси. Технический результат состоит в повышении эффективности обработки воды. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области очистки воды от микроорганизмов, токсичных и других примесей с использованием процессов гидрокрекинга и может быть использовано при очистке питьевой воды, канализационных стоков, биотехнологических и жидких промышленных отходов.
Известно устройство для обеззараживания воды (патент RU №2114791, кл. С02F 3/02, С02F 3/18, С02F 1/74, 1995 г.), содержащее корпус со входными и выходным патрубками и рабочим колесом, газовый патрубок с регулирующим вентилем, центральную трубу, осесимметрично установленную с входным патрубком, и емкость высокого давления с входным и выходным патрубками. В устройстве используется повышение давления в среде с целью биоцидного воздействия на живые микроорганизмы.
Однако известное устройство имеет низкую эффективность обеззараживания, так как повышение давления не воздействует на споровые формы микроорганизмов, защищенные капсулой, на анаэробные формы микроорганизмов, не употребляющие кислород для дыхания, а также на вирусы и фаги, являющимися внутриклеточными паразитами. Прочность клеточной стенки микроорганизмов к повышению внутриклеточного давления может достигать 1-3 МПа, поэтому на многие виды микроорганизмов повышение давления в указанных пределах (0,4-0,6 МПа) воздействия не окажет. Кроме того, содержимое прежде живых клеток и продукты их жизнедеятельности, выделенные в воду, остаются в неизмененном виде и могут явиться фактором токсического поражения живого организма, употребляющего обработанную таким образом воду.
Наиболее близким по технической сущности является роторный кавитационный аппарат (патент RU №2174045, B01F 7/00, В01F 11/02, 1999), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями и образующий рабочую камеру, в которой расположены статор и на приводном валу ротор, состоящие из дисков, установленных поочередно вдоль оси симметрии рабочей камеры. Первый диск ротора представляет собой нагнетательное колесо осевого насоса и снабжен радиальными лопатками, расположенными под углом к его плоскости, второй диск ротора, установленный между дисками статора, имеет расположенные в плоскости диска радиальные режущие лопасти. Причем передняя по ходу вращения лопатка выполнена в виде клина, а задняя - в виде параллелепипеда с радиальными проточками на его боковых гранях. Диски статора снабжены радиальными прорезями, которые во втором диске выполнены сужающимися к его плоскостям. Радиальные лопатки и лопасти ротора, прорези и проточки в дисках статора расположены равномерно по окружностям дисков и имеют одинаковые радиальные длины.
Недостатком известного устройства является ограниченная область использования, так как осевые насосы не обеспечивают необходимого перепада давления для осуществления эффективного акустического кавитационного процесса. В устройстве происходит процесс слабодиссипативной газовой кавитации, хотя при применении устройства для очистки речной воды количество колоний бактерий снизилось, но питьевая вода осталась непригодной для употребления, и необходима ее дальнейшая обработка.
Задачей изобретения является расширение области использования устройств для очистки и обеззараживания воды и улучшение качества обработанной воды. Поставленная задача достигается тем, что устройство очистки и обеззараживания воды состоит из корпуса со входными и выходным патрубками, образующими рабочую камеру. В рабочей камере расположено статорное кольцо и на приводном валу ротор с роторным кольцом, имеющие расположенные одно напротив другого отверстия для прохода воды. Ротор выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса. Ширина каждого отверстия роторного кольца равна ширине каждого отверстия статорного кольца. Дополнительно введен второй ротор в виде рабочего колеса и имеющий на выходе жестко закрепленное кольцо с отверстиями для прохода обрабатываемой воды, причем он установлен на приводном валу и зеркально симметричен первому ротору, на статорном кольце дополнительно выполнены отверстия соответствующие отверстиям второго ротора. Осевые плоскости отверстий статорного и роторного колец смещены относительно друг друга на величину от нуля до половины углового шага, а соотношение размеров отверстий колец первого и второго роторных колец составляет от 0,1 до 1,0. Статорное кольцо имеет одно или несколько ребер жесткости. На внутренней стенке корпуса может быть дополнительно установлен рефлектор. Кромки отверстий статорного и роторного колец могут быть выполнены скругленными. На приводном валу может быть размещено несколько рабочих камер. Устройство для очистки и обеззараживания воды может иметь автономный привод и быть установленным на шасси.
При импульсном истечении воды из отверстий по моменту начала истечения формируется ударная волна, под энергетическим воздействием которой в среде происходит диссипация (поглощение и преобразование) акустической энергии, затем выделяющейся в реакциях, инициированных кавитационным процессом. Это могут быть физические, физико-химические, химические реакции, связанные с поглощением, выделением или перераспределением энергии связей и внутренней энергии фазообразования в кристаллах, коллоидах и молекулах вещества, попадающего в условия высоких температур и давлений, возникающих в объеме кавитационного пузырька (КП) - главного инструмента кавитационных технологий. Кавитационные пузырьки образуются в воде по заднему фронту ударной волны при уменьшении давления ниже критического. При дальнейшем снижении давления в область отрицательных значений количество кавитационных пузырьков в воде достигает 1-10·106 ед/мл.
При израсходовании всей энергии Гиббса и достижении минимума отрицательных давлений сферические границы КП начинают свое все более ускоряющееся движение к центру пузырьков, повышая температуру и давление в объеме, начинается термолиз воды, другие деструктивные процессы, разнообразные химические реакции (проходят процессы перехода атомов в возбужденное состояние, диссоциации, образования активных радикалов, выделяется некоторое количество тепловой энергии). При полном коллапсе кавитационного пузырька образуется вторичная ударная волна с очень узким импульсом положительного скачка давления, избыток тепловой энергии переходит в среду, температура среды повышается. Если температура среды находится в окрестности точки кипения одного из компонентов среды или продукта, полученного в результате реакций, происходящих в объеме кавитационного пузырька до его коллапса, то в таком случае начинается процесс выделения компонента (продукта) в паровой фазе и процесса окончательного коллапса пузырька с образованием вторичной ударной волны может не происходить. Полученная паро-газо-жидкостная смесь отводится из области кавитации через проточную область на выход устройства, а затем разделяется в сепараторе.
На фиг.1 изображена конструкция устройства, на фиг.2 изображены возможные исполнения формы сечения статорного и роторных колец, на фиг.2а - треугольная форма, на фиг.2б - коробчатая форма, 2в - плоская форма.
Устройство очистки и обеззараживания воды состоит из корпуса 1 с входными патрубками 2 и 3 и выходным патрубком 4, статорного 5 кольца, роторов 6 и 7, расположенных на приводном валу 8. Роторы 6 и 7 представляют собой рабочие колеса центробежных насосов, на которых жестко закреплены роторные кольца 9 и 10. Статорное кольцо 5 выполнено вогнутым и имеет прорези 11 и кольцевое ребро жесткости 12. Роторные кольца 9 и 10 также выполнены вогнутыми и имеют прорези 13 и 14, расположенные напротив прорезей 11 статорного кольца 5. В корпусе 1 напротив статорного кольца 5 установлен рефлектор 15.
В устройстве образуется рабочая камера, состоящая из трех областей - две области нагнетания: первая - между входным патрубком 2 и крыльчаткой роторного кольца 9 и вторая - между входным патрубком 3 и крыльчаткой роторного кольца 10, и также общая рабочая область. Общая рабочая область состоит из двух областей: основной области кавитации - между статорным 5 кольцом и рефлектором 15 и проточной области, соединяющей область кавитации с выходным патрубком 4.
Устройство работает следующим образом.
Рассмотрим схематически единичный цикл работы устройства - формирование одного импульса ударной волны.
Исходное положение: прорези 11 статорного 5 кольца и прорези 13 и 14 роторных колец 9 и 10 заперты (не совпадают), роторы 6 и 7 находятся в динамическом состоянии (вращаются с номинальной скоростью, рабочая камера корпуса 1 заполнена средой). Одновременно формируется количество ударных волн, равное количеству отверстий статорного кольца 5.
Обрабатываемая жидкость засасывается по входным патрубкам 2 и 3 в обе области нагнетания рабочей камеры роторов 6 и 7. Среда внутри роторов 6 и 7 перед роторными кольцами 9 и 10 находится под давлением нагнетания Рнагн., создаваемым роторами 6 и 7.
В некоторый момент времени начинают открываться (совпадать) прорези 11 статора 5 и прорези 13 и 14 роторных колец 9 и 10, соединяющие область нагнетания с областью кавитации, находящейся под давлением Рстат<Рнагн., где Рстат - регулируемое давление, Рнагн - давление нагнетания, создаваемое крыльчатками.
Из совмещенных прорезей 11, 13 и 14 начинают с большой скоростью истекать струи воды, в среде возникают акустические колебания. В результате суммирования векторов акустического давления, направленных в точку О (фиг.1), формируется узкий импульс положительной фазы ударной волны, имеющий значительную амплитуду, но кавитационный процесс еще не возбуждается, поскольку среда находится в сжатом состоянии и степень сжатия увеличивается по мере продвижения среды в направлении к точке О. После прохождения точки О ударная волна становится сферической расходящейся, в области ее заднего фронта создаются условия для возникновения кавитационного процесса в силу того, что все большая масса среды увлекается ударной волной в направлении ее распространения со скоростью, большей скорости истечения из прорезей.
Звуковое давление после прохождения положительного максимума в области точки О начинает снижаться и при текущем давлении р, меньшем Ркр (в области разрежения), по 4 заднему фронту ударной волны в струе среды возникают растягивающие напряжения, а это означает, что в среде возник кавитационный процесс с образованием новой фазы - кавитационного пузырька (КП). Иначе, из звуковой волны отбирается энергия, затрачиваемая на увеличение объема КП, - среда резко вскипает. В момент достижения минимума отрицательного давления в среде (этот момент рассчитывается) передний фронт ударной волны достигает поверхности рефлектора 15, отражается от него и ударная волна движется в обратном направлении через область кавитации, содержащую кавитационные пузырьки. При этом знак звукового давления в среде, содержащей кавитационные пузырьки, меняется на противоположный, суммарное давление резко повышается, и в среде начинают действовать сжимающие напряжения, способствующие схлопыванию кавитационных пузырьков с тем большей скоростью, чем больше абсолютная величина амплитуды звукового давления в отрицательной области ударной волны и амплитуда отраженного переднего фронта этой же волны. При этом из отраженной ударной волны отбирается энергия, идущая на повышение энергии схлопывания кавитационного пузырька.
Образующая корпуса 1 имеет цилиндрическую форму и расположена соосно с осью привода, при специальном профилировании относительно плоскости симметрии и расчете корпус 1 устройства может играть роль рефлектора 15. На некотором расстоянии от поверхности кольца статора 5 устанавливается рефлектор 15, также выполненный в форме вогнутого (по отношению к точке О) кольца и имеющий точку О в качестве центра своей образующей. Рефлектор 15 расположен соосно с осью приводного вала 8. Форма рефлектора 15 выбирается в соответствии с формой огибающей формируемой статорным кольцом 5 ударной волны. На фиг.2 показаны условные пределы изменения формы рефлектора 15, в пределе рефлектор имеет форму цилиндрического кольца (фиг.2с). Точка N является серединой сечения рефлекторного 15 кольца и лежит в плоскости симметрии устройства, перпендикулярной оси привода. Расстояние ON установки рефлектора выбирается исходя из назначения устройства, его мощности (производительности), скорости звука в обрабатываемой среде, интервала входных физико-химических параметров сырья, степени разброса максимальных и минимальных термодинамических параметров процесса и т.п. Возможны различные варианты крепления рефлектора:
1) к цилиндрической образующей корпуса;
2) к торцевым стенкам корпуса;
3) к статорному кольцу.
Кольца 9 и 10 роторов 6 и 7, статора 5 и рефлектора 15 размещены таким образом, что имеют два вида симметрии: общую ось центральной симметрии, совпадающую с осью приводного вала 8, и плоскость симметрии, являющейся общей для колец 9 и 10 роторов 6 и 7 и статора 5. Плоскость симметрии перпендикулярна оси приводного вала 8 и является геометрическим местом, на котором расположены центры всех полуокружностей, образующих заявляемый профиль, и представляет собой окружность с центром в точке О. Прямая ОМ лежит в плоскости симметрии.
Форма роторных колец 9 и 10 зеркально симметрична относительно плоскости симметрии. Плоскость, в которой лежит продольная плоскость сечения прорезей и ось вращения роторов, будем называть осевой плоскостью. Угловой шаг соседних прорезей (угол между осевыми плоскостями соседних отверстий) одинаков для прорезей статорного 5 кольца и роторных 9 и 10 колец. Этот же шаг может быть кратным для роторных колец 9 (например, первого ротора), при этом проходное сечение прорезей для роторных колец 9 первого ротора и соответствующее сечение прорезей статорного кольца 5, взаимодействующих с первым ротором, может отличаться от соответствующих параметров кольца 10 второго ротора и ответных прорезей статорного кольца. Шаг выбирается в зависимости от скорости вращения вала привода. Это означает, что и количество отверстий по сторонам кавитационного аппарата, соответствующим первому и второму роторам, может отличаться (быть кратным).
Монтажный угол (угол между осевыми плоскостями прорезей роторных колец первого и второго роторов) может выбираться в зависимости от качества исходной воды и изменяется в пределах от 0 до величины, приближающейся к величине углового шага прорезей. Это зависит от того, в какой момент жизни кавитационного пузырька кавитационный процесс, возбуждаемый, например, первым ротором, должен взаимодействовать с кавитационным процессом, возбуждаемым вторым ротором.
Ребра (кольца) жесткости 12, жестко закрепленные на статорном кольце 5, увеличивают жесткость кавитационного аппарата и уменьшают собственную резонансную частоту системы роторных 9 и 10 и статорного 5 колец, на основной частоте активатора определяемой угловым шагом отверстий и угловой частотой вращения роторов.
Форма и размеры ребра (кольца) 12 жесткости могут быть различными и варьироваться в зависимости от решаемых задач и формы статорного 5 кольца. Цилиндрическое (фиг.2с) статорное 5 кольцо может иметь несколько ребер (колец) жесткости.
Увеличению потока среды через систему "ротор-статор" способствует также округление кромок прорезей роторного и статорного колец со стороны набегающего потока среды. Наружная поверхность корпуса устройство может быть покрыта тепло- и звукоизолирующим материалом для уменьшения тепловых и акустических потерь.
Наибольшим коэффициентом концентрации ударной волны будет обладать устройство с кольцевым профилем кавитационного аппарата (фиг.1 и фиг.2а). Далее коэффициент концентрации ударной волны будет снижаться для устройств, построенных с треугольным профилем (фиг.2а), с коробчатым профилем (фиг.2b). Для схемы устройства с плоскими (в сечении) профилями кавитационного аппарата (фиг.2с) коэффициент концентрации ударной волны будет равен нулю.
Концентрация ударной волны применяется для постановки деструктивных процессов, характеризующихся высокими энергиями разрыва связей и потенциалами ионизации, т.е. для весьма высококачественной очистки относительно небольших количеств воды с освобождением ее от микрофлоры. Для таких процессов наиболее применимы кольцевой и треугольный профили сечения кавитационного аппарата (фиг.2а). Концентрация ударной волны не требуется для относительно низкоэнергетичных процессов (таких, например, как дегазация жидкостей и перевод солей в нерастворимую форму с последующим выпадением в осадок при обработке минерализованной воды при отсутствии необходимости в дезактивации вирусов), для такого рода процессов применимы коробчатый и плоский профили (фиг.2b, с).
Устройство очистки и обеззараживания воды может быть выполнено одно- и многоконтурными. Одноконтурные устройства могут строиться проточными (с разомкнутым контуром) и циклическими (с замкнутым контуром циркуляции обрабатываемой среды) и применяются для обработки среды в тех случаях, когда для достижения поставленных целей достаточной является организация гетерофазного кавитационного процесса, протекающего без предварительной дегазации среды. Таким процессом, например, является обработка питьевой воды. Двух- (и более) контурные установки применяются для постановки кавитационных процессов, исключающих попадание компонентов сырьевых материалов в готовый продукт, а также для организации многостадийных процессов, при которой планируется проведение различных реакций в разных контурах установки. Также двух- и более контурные установки могут использоваться в случаях, когда сырьевая вода содержит значительное количество живых клеток (более 2 млн./мл), либо содержит "тюки" сибирской язвы или колонии, защищенные слизью, а также и там, где требуется последовательное измельчение фрагментов таких колоний, полученных на предыдущих стадиях применения кавитационного процесса. К числу таких процессов относится стерилизация сильно загрязненной питьевой воды и специальная водоподготовка, при этом предполагается, что при необходимости каждое устройство может быть привязано к емкости (в случаях, когда требуется определенное время для протекания, например, физико-химических реакций). В этих случаях многоконтурные устройства имеют преимущества перед одноконтурными устройствами. Промежуточным вариантом являются одноконтурные устройства с организацией рецикла (многократное проведение кавитационного процесса в закольцованном контуре) ввиду очевидной экономии на объеме оборудования. Рецикловые устройства с попутным повышением температуры могут быть применены, например, для стерилизации воды. После такой обработки сточные воды становятся пригодными для закачки в нефтяные пласты для поддержания пластового давления.
В результате использования предлагаемого устройства достигаются следующие результаты:
а) улучшаются органолептические качества водопроводной воды;
б) улучшается качество воды по показателям "общее микробное число" и "токсичность";
в) можно исключить применение хлора;
г) снижаются капитальные затраты;
д) сокращаются площади, занимаемые очистными сооружениями;
е) сокращается численность обслуживающего персонала;
ж) уменьшается коррозия водопроводных труб и увеличиваются сроки эксплуатации, повышается надежность трубопроводов в 2-4 раза в результате многократного снижения количества растворенных газов;
з) снижаются риски возникновения аварийных ситуаций;
и) снизится стоимость водопроводной воды и горячего водоснабжения.
При применении предлагаемого устройства для стерилизации и специальной водоподготовки экономический эффект будет еще выше. При установке устройства на шасси оно становится мобильным и может использоваться в районах природных и техногенных катастроф.
1. Устройство очистки и обеззараживания воды, состоящее из корпуса со входными и выходным патрубками, образующими рабочую камеру, в которой размещены статорное кольцо и на приводном валу ротор с роторным кольцом, выполненный в виде рабочего колеса центробежного насоса, при этом ширина каждого отверстия роторного кольца равна ширине каждого отверстия статорного кольца, отличающееся тем, что оно снабжено вторым ротором в виде рабочего колеса центробежного насоса, имеющим на выходе жестко закрепленное кольцо с отверстиями для прохода обрабатываемой воды, причем второй ротор установлен на приводном валу и зеркально симметричен первому ротору, на статорном кольце дополнительно выполнены отверстия, соответствующие отверстиям второго ротора, и между поверхностями статора и корпуса образована общая рабочая область для воды, подаваемой первым и вторым роторами.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что роторные кольца первого и второго роторов выполнены с неодинаковым количеством отверстий неодинакового размера и углового шага.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в рабочей области установлен рефлектор.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено автономным приводом и установлено на шасси.
