Гидродинамический кавитатор для обеззараживания жидкости

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для обеззараживания жидкостей, и, в частности, может быть использована для обеззараживания хозяйственно-бытовых сточных вод.
Известны реагентные, безреагентные и комбинированные методы обеззараживания сточных вод. Реагентные методы обеззараживания сточных вод подразумевают применение специальных химических веществ, например соединений хлора, озона, перекиси водорода и др. Безреагентные методы обеззараживания подразумевают обработку воды физическими воздействиями, а в комбинированных используются одновременно химическое и физическое воздействия. В настоящее время безреагентные методы обеззараживания являются наиболее перспективными, так как не требуют применения химических веществ, которые могут представлять опасность для человека и окружающей среды. Из безреагентных методов обеззараживания воды наиболее распространенным в настоящее время является метод обеззараживания ультрафиолетовым излучением. Известные устройства обеззараживания воды при помощи ультрафиолетового излучения описаны, например, в следующих патентах RU 2390498, US 6162406, RU 2142915, RU 2031850. В качестве недостатков обеззараживания воды при помощи ультрафиолетового излучения можно указать следующее:
- срок годности источника ультрафиолетового излучения (УФ-лампы) ограничен и составляет примерно 9000 часов, после чего его необходимо менять;
- с течением временем мощность источника ультрафиолетового излучения постепенно снижается и соответственно уменьшается его обеззараживающий эффект;
- для эффективной работы УФ-лампы необходимо использовать дополнительный фильтр осветления, позволяющий проникать ультрафиолетовым волнам через всю толщу обрабатываемых вод;
- падение эффективности работы при работе с мутными и сильно загрязненными жидкостями, поскольку наличие включений и окрашенных элементов препятствуют распространению ультрафиолетовых волн в воде.
Другим известным безреагентным методом обеззараживания является кавитационный метод обработки. Кавитационное обеззараживание жидкости осуществляется с применением гидродинамического кавитатора. Кавитатор оказывает гидродинамическое воздействие на обрабатываемую жидкость, проявляющееся в создании локальных пульсаций давления в потоке жидкости. В зоне пульсаций давления локальное давление понижается до давления насыщенного пара и происходит образование кавитационных пузырьков. Под действием пульсаций давления от кавитационных пузырьков происходит разрушение клеточной оболочки бактерий и гибель микроорганизмов. Проведенные экспериментальные исследования показывают высокую эффективность обеззараживания сточных вод с применением гидродинамического кавитатора (Промтов М. А., Алешин А. В., Колесникова М. М., Карпов Д. С. Обеззараживание сточных вод кавитационной обработкой // Вестник ТГТУ. 2015. №1. С.105-111; Алешин А.В., Долгова Е.А., Степанов А.Ю. Экспериментальное исследование обеззараживания сточных вод с применением гидродинамического кавитатора // Сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов ТТГУ. Выпуск V - 2014 г, с. 210-212). Известно применение гидродинамического кавитатора в установке по очистке сточных вод в патенте RU  113263, МПК С02F1/24, С02F3/02, опубл. 10.02.2012 .
Известен генератор гидродинамических колебаний (или гидродинамический кавитатор) по патенту  RU 2269386, МПК B06B1/20, опубл. 10.02.2006, который принимаем за прототип. Известное устройство содержит корпус, в котором выполнены входное сопло, торообразная кавитационная камера, выходное сопло, проточка, в которой размещен элемент вторичной кавитации, выполненный в виде кольца. В корпусе выполнены отверстия для подсоса воздуха (газа) или жидкости. Недостатком известного устройства является недостаточный обеззараживающий эффект.
Технический результат направлен на повышение обеззараживающего действия гидродинамического кавитатора путем усиления кавитации.
Технический результат достигается тем, что предложен гидродинамический кавитатор, содержащий корпус с входным и выходным соплами, торообразную кавитационную камеру с отверстиями для подачи в камеру воздуха или жидкости и элементом вторичной кавитации, выполненным в виде кольца в проточке камеры, и при этом во входном сопле содержит жестко установленную спиралевидную лопасть.
Предложенная полезная модель поясняется следующим графическим материалом.
На фиг. 1 представлена схема генератора гидродинамического кавитатора в разрезе.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема септика с обеззараживанием очищенной воды при помощи предложенного гидродинамического кавитатора.
Гидродинамический кавитатор содержит корпус 1, в котором выполнены входное сопло 2, торообразная кавитационная камера 3, выходное сопло 4, а также проточка 5 и кольцо 6. В корпусе 1 выполнены отверстия 7 для подсоса воздуха (газа) или жидкости или и того и другого одновременно. Входное сопло 2 и выходное сопло 4 сужены в области соединения с камерой 3. Гидродинамический кавитатор во входном сопле 2 в его сужающейся части содержит жестко установленную спиралевидную лопасть 8. В предложенном гидродинамическом кавитаторе входное сопло 2 может быть выполнено со смещением  относительно оси кавитационной камеры 9.
В частности, предложенное устройство применимо для обеззараживания сточных бытовых вод. Также устройство может быть применимо в других областях, например в пищевой промышленности для обеззараживания молока. Данное устройство не нуждается в электричестве, не имеет сменных элементов, работает как с прозрачными, так и с непрозрачными жидкостями, не требует установки дополнительных элементов, например осветительного фильтра как в случае ультрафиолетовой лампы. Использование для обеззараживания сточных вод гидродинамического кавитатора является финансово менее затратным по сравнению с ультрафиолетовой обработкой, хлорированием или озонированием.
На фиг. 2 представлено применение заявленного гидродинамического кавитатора в септике, применяемом для очистки сточных бытовых вод. Септик включает несколько фильтрующих модулей: септик-отстойник 10, в котором происходит первичная очистка воды путем выделения из нее крупных фракций, модуль биологоческой обработки 11, и модуль обеззараживания 12, который содержит предложенный гидродинамический кавитатор. Стрелками на фиг. 2 показан переход воды в септике через фильтрующие модули.
Устройство работает следующим образом. Поток рабочей жидкости, нагнетаемый насосным оборудованием (на фиг. не показано), подается во входное сопло 2. Поток жидкости попадает на спиралевидную лопасть 8. Стенки входного сопла 2 и спиралевидная лопасть 8 образуют спиралевидный канал, проходя через который поток жидкости закручивается. В области соединения входного сопла 2 с кавитационной камерой 3 диаметр входного сопла 2 и происходит ускорение потока жидкости. Далее закрученный поток попадает в торообразную кавитационную камеру 3. В полости, образованной стенкой кольца 6 и стенкой проточки 5, формируется область пониженного давления, в которую через отверстия 7 всасывается воздух (газ) или другая жидкость или то и другое одновременно. В случае сильных загрязнений гидродинамический кавитатор может быть снабжен дозатором (на фиг. не показано) для подачи через отверстия 7 небольшого количества специальных химических веществ (соединений хлора, перекиси водорода и др.), которые в совокупности с кавитацией позволяют полностью обеззаразить жидкость. Смещение оси входного сопла 2 относительно оси кавитационной камеры 9 приводит к косоструйности потока внутри камеры, что увеличивает длину контакта транзитной струи с водоворотными областями.
Жестко установленная спиралевидная лопасть во входном сопле закручивает поток жидкости, что позволяет увеличить «факел кавитации», а именно увеличить длину контакта с водоворотными областями внутри кавитационной полости. Очевидно, что предложенное устройство позволяет усилить кавитацию и, как следствие, интенсифицировать технологический процесс обеззараживания.