АППАРАТ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СУДОВЫХ БАЛЛАСТНЫХ ВОД

Предлагаемое техническое решение относится к технологии обезвреживания судовых балластных вод.
Известны технические решения, направленные на защиту судна от морских микроорганизмов. Так, например, устройство защиты конструкций судов от обрастания (заявка №2001103991) предусматривает генерирование активного хлора из морской воды с последующим принудительным смешением хлорсодержащего раствора с потоком морской воды. Недостаток устройства состоит в значительном расходе электроэнергии и вероятности загрязнения окружающей среды активными химическими веществами.
Система обновления судовой балластной воды (патент №85143 от 30.06.2008 Российская Федерация, г. Нижний Новгород) предлагает использовать мощные транзитные потоки морской воды, инжектируемые из балластных танков за счет движения судна как средство, предотвращающее застой и рост микроорганизмов в танках. Однако, данная система в большинстве случаев неприемлема для обезвреживания возимого балласта.
Известна установка HYDE GUARDIAN компании «Хайд марин», США, предназначенная для обезвреживания судовых балластных вод, включающая блок фильтров и блок УФ-облучения (рекламный проспект компании). Недостатками данной установки является громоздкость конструкции и нестабильность работы по причине обрастания фильтров биологическими организмами.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению объектом является система обезвреживания судовых балластных вод (патент RU 117886 от 26.07.2011 Российская Федерация, г. Санкт-Петербург). Система включает: блок фильтров в виде цилиндрического корпуса с патрубками входа и выхода воды и трубной перегородкой, на которой закреплены одним концом фильтрующие элементы (ФЭЛ), изготовленные путем навивки проволоки треугольного сечения на несущий каркас с зазором между соседними витками 50 …80 мкм; блок УФ-облучения; генератор меди, содержащий смешанную медно-титановую шихту из отрезков медной и титановой проволоки и размещенный по ходу воды перед ФЭЛ; генератор активного хлора (ЭХГ); генератор озона; трубопроводы; арматуру; систему мониторинга и управления. Система обезвреживания судовых балластных вод работает на принципе многоступенчатой последовательной обработки воды в отдельных аппаратах, гидравлически соединенных между собой трубопроводами.
Недостатками известной полезной модели (патент RU №117886) являются:
- конструктивная и технологическая сложность оборудования;
- недостаточная эффективность процесса обезвреживания по причине неполного использования возможностей УФ-облучения и ионов меди;
- необходимость частой промывки ФЭЛ по причине малой эффективности процесса регенерации обратной промывкой;
- экологическая и санитарная опасность по причине использования озона, хлора и наличия неизолированных источников вибрации;
- высокие эксплуатационные затраты, обусловленные сложностью системы, необходимостью частой промывки ФЭЛ и использованием энергоемких процессов (ЭХГ и озоногенераторов),
- недостаточная конкурентоспособность оборудования.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков и решает следующие технические задачи: упрощение конструкции устройства и повышение эффективности процесса обезвреживания, за счет улучшения массо-габаритных характеристик; снижение эксплуатационных затрат; обеспечение полной экологической и санитарной безопасности при эксплуатации; повышение конкурентоспособности оборудования на рынке.
Указанные технические задачи решены благодаря тому, что в полезной модели, включающей: блок фильтров в виде цилиндрического корпуса с патрубками входа и выхода воды и трубной перегородкой, на которой закреплены одним концом фильтрующие элементы (ФЭЛ), изготовленные путем навивки проволоки треугольного сечения на несущий каркас с зазором между соседними витками 50…80 мкм; блок УФ-облучения; генератор меди, содержащий смешанную медно-титановую шихту из отрезков медной и титановой проволоки и размещенный по ходу воды перед ФЭЛ; систему мониторинга и управления (СМУ); трубопроводы и арматуру, применены новые технические решения, заключающиеся в следующем: блок УФ-облучения и генератор меди размещены в полости корпуса блока фильтров, снабженного камерой седиментации, при этом блок УФ-облучения выполнен в виде пакета УФ-ламп, утопленных одним своим концом в полость каждого ФЭЛ, а другим своим концом выступающих над поверхностью трубной перегородки; ФЭЛ выполнены с гладкой наружной поверхностью, например, полированными и с возможностью групповой фиксации между собой по концам, не закрепленным на трубной перегородке; генератор меди выполнен в виде корзины с перфорированными дном, перфорированной крышкой и боковой стенкой, имеющей плавное расширение в направлении от дна к крышке; генератор меди установлен в полости камеры седиментации соосно с ней; полость корзины, заполнена на 50%…75% своего объема смешанной медно-титановой шихтой; камера седиментации выполнена в виде цилиндрической обечайки, состыкованной верхней кромкой с корпусом, а нижней кромкой - с коническим дном; патрубок входа воды расположен на цилиндрической обечайке камеры седиментации и ориентирован тангенциально по отношению к ней; на корпусе предусмотрен патрубок сброса промывной воды, снабженный быстрозапорным клапаном и соединенный с водосборным коллектором внутри корпуса, а над поверхностью трубной доски внутри корпуса размещен датчик интенсивности УФ-облучения, связанный с системой мониторинга, выполненной с возможностью импульсной подачи воды на вход в аппарат.
Предлагаемый аппарат для обезвреживания судовых балластных вод (далее по тексту - аппарат) поясняется чертежами:
на фиг. 1 - аппарат в сборе;
на фиг. 2 - аппарат, поперечный разрез по А-А;
на фиг. 3 - схема групповой фиксации ФЭЛ;
на фиг. 4 -фильтрующий элемент (ФЭЛ) в разрезе;
на фиг. 5 - фильтрующий элемент (вид Б);
на фиг. 6а - схема процесса фильтрации;
на фиг. 6б - схема процесса регенерации;
Аппарат (фиг. 1) включает цилиндрический корпус 1 со съемной крышкой 2, камеру седиментации 3, генератор меди 4, патрубки для входа 5 и выхода воды 6, патрубок сброса промывной воды 7, патрубок сброса осадка 8, систему мониторинга и управления (СМУ) 9.
В корпусе имеется трубная перегородка 10, к которой с помощью резьбовых хвостовиков 11 прикреплены одним концом фильтрующие элементы (ФЭЛ) 12 (фиг. 4). УФ-лампы 13 утоплены одним концом в полость ФЭЛ. Вторым концом УФ-лампы выступают над поверхностью перегородки 10. Подвод электропитания к УФ-лампам обеспечивается через диэлектрический колпак 14, соединенный проводами со СМУ 9. УФ-лампы защищены от воды кварцевым чехлом 15, нижняя часть которого выполнена глухой и опирается на эластичную опору 16. Верхняя часть чехла закреплена в крышке 2 с помощью резинового кольца 17. Между хвостовиком 11 и кварцевым чехлом 15 образован зазор 18 для прохода воды.
2
Фильтрующие элементы (ФЭЛ) 12 (фиг. 4, фиг. 5) изготовлены путем навивки проволоки 19 треугольного сечения на несущий каркас с зазором H между соседними витками порядка 50…80 мкм. Проволока 19 изготовлена с гладкими поверхностями по всему периметру треугольника, например, полированными.
Предусмотрена возможность групповой фиксации соседних ФЭЛ 12 между собой по концам, не закрепленным на трубной перегородке (фиг. 3, фиг. 4). Групповая фиксация может быть обеспечена, например, с помощью стопорных планок 20, закрепленных с помощью винта 21 к дну ФЭЛ. Планка 20 выполнена в виде треугольной пластины, вершины которой прикреплены к трем соседним ФЭЛ, как показано на фиг. 3.
Генератор меди 4 выполнен в виде корзины с перфорированным дном 22, перфорированной крышкой 23 и боковой стенкой 24, имеющей плавное расширение в направлении от дна к крышке. Полость корзины заполнена на 50%…75% своего объема смешанной медно-титановой шихтой, изготовленной например, из кусочков 25 медной и титановой проволоки (фиг. 2). Генератор меди 4 установлен в полости камеры седиментации 3 соосно с ней.
Камера седиментации 3 выполнена в виде цилиндрической обечайки 26, состыкованной верхней кромкой с корпусом 1, а нижней кромкой - с коническим дном 27, снабженным клапаном 28 для осушения.
Патрубок входа воды 5, снабженный клапаном 29, расположен на цилиндрической обечайке 26 камеры седиментации и ориентирован тангенциально по отношению к ней (фиг. 2). Между стенкой камеры седиментации 3 и стенкой генератора меди 24 образован концентрический зазор 30 (фиг. 2).
Патрубок сброса промывной воды 7, снабженный быстрозапорным клапаном 31, расположен на корпусе 1 на уровне ниже перфорированной крышки 23 и соединен с водосборным коллектором 32 внутри корпуса.
Патрубок 6 выхода обработанной воды, снабженный клапаном 33, расположен на крышке 2.
В полости крышки 2 установлен датчик интенсивности УФ-излучения 34, соединенный проводами со СМУ 9.
СМУ запрограммирована таким образом, что она обеспечивает необходимый алгоритм работы автоматических клапанов 28, 29, 31 и 33, работу УФ-ламп 13 и, кроме того, возможность импульсного открытия входного клапана 29.
Аппарат для обезвреживания судовых балластных вод работает следующим образом.
Обезвреживание морской воды происходит во время ее приема в балластные цистерны судна (процесс балластировки). Морская вода, содержащая чужеродные микроорганизмы и механические примеси, подлежащие обезвреживанию, подается во входной патрубок 5 под напором судового балластного насоса. За счет тангенциального входа поток воды закручивается в концентрическом зазоре 30, как показано стрелкой 35 (фиг. 2). При этом наиболее тяжелые и крупные фракции примесей центробежной силой отбрасываются к стенке камеры седиментации и постепенно сползают в коническое дно камеры, где постепенно образуется осадок 36.
Далее предварительно осветленный поток воды (показан тонкими стрелками) через перфорированное дно 22 попадает в полость генератора меди 4. Действие генератора меди основано на принципе самопроизвольного растворения за счет электрохимической коррозии в морской воде более активного металла (меди) в контакте с менее активным металлом (титаном) с выделением в воду ионов меди. Объем и высота слоя медно-титановой шихты выбираются на основании расчетов и экспериментальных данных с учетом расхода балластной воды, «производительности» генератора по ионам меди, скорости фильтрования и др. факторов.
При стационарном режиме течения воды тяжелая шихта 25 остается неподвижной и выполняет две функции: работает как генератор меди и одновременно - как механический фильтр, задерживая в своем объеме дисперсные примеси (в том числе и биологические объекты).
При импульсной подаче воды в патрубок входа 5, например, путем резкого увеличения расхода, весь объем шихты переходит во взвешенное состояние. Поскольку корзина 4 заполнена шихтой не полностью, а только на 50-75% ее объема, шихта интенсивно перемешивается, заполняя весь объем корзины. Отдельные частицы шихты, соприкасаясь между собой острыми кромками, очищают свои металлические поверхности от оксидной пленки и продуктов коррозии и, соответственно, выход меди интенсифицируется. Кроме того, при импульсном режиме шихта работает как своеобразная шаровая мельница, «перемалывающая» биологические организмы (такие, как мальки рыб, рачки, водоросли, планктон, микроорганизмы и тому подобное), застрявшие в объеме шихты в период стационарного режима. Процессу «перемалывания» способствует подсос (как в трубе Вентури), обусловленный тем, что стенки корзины 4 имеют плавное расширение в направлении от дна к крышке. Подсос иллюстрируется стрелками 37 на фиг. 1 При этом осевшие в коническом дне 27 не слишком крупные биологические организмы засасываются в корзину и подвергаются комплексной обработке, как описано выше.
Заполнение объема шихты на 50-75% оптимально для данной полезной модели, что подтверждено экспериментами. При меньшем, чем 50% заполнении эффект механической фильтрации резко снижается, а при большем, чем 75% заполнении ухудшается эффект «шаровой мельницы».
Таким образом, генератор меди 4 выполняет несколько функций одновременно: производит ионы меди, фильтрует и «перемалывает» биологические организмы, что способствует более эффективному обезвреживанию воды.
Вода, предварительно обработанная в камере седиментации 3 и в генераторе меди 4, под напором балластного насоса поступает затем в полость корпуса 1, равномерно распределяется по всему объему, фильтруется через ФЭЛ (показано тонкими вертикальными стрелками) и перетекает в полость крышки 2, где завершается процесс ее обезвреживания (фиг. 1).
2
В полости каждого ФЭЛ вода подвергается наиболее интенсивному УФ-облучению. При этом на воду воздействуют как прямые от УФ-лампы лучи 38, так и отраженные от боковых поверхностей трехгранной проволоки лучи 39 (фиг. 4 и фиг. 5). Максимальная плотность УФ -лучей образуется в клиновидном зазоре между соседними витками проволоки 19 и непосредственно в самой фильтровальной щели шириной Н.
2
Механизм образования и разрушения агрегата, застрявшего на входе в фильтровальную щель шириной Н в процессе фильтрации, показан на фиг. 6а. Видно, что агрегат состоит из механических полидисперсных частиц 40 (показаны черным цветом) и биологических организмов 41 (показаны белым цветом). При этом биологические объекты являются материалом, скрепляющим частицы между собой в агрегате (фиг. 6а). При фильтрации в направлении стрелки 42 под воздействием концентрированного потока УФ-лучей происходит образование и разрушение биологического объекта. Далее в процессе регенерации по стрелке 43 фрагменты 44 разрушенного агрегата беспрепятственно удаляются с поверхности ФЭЛ (фиг. 6б).
Полость крышки 2 по существу является зоной финишного обезвреживания. Здесь на воду одновременно воздействуют УФ-лучи от всех УФ-ламп, выступающих над поверхностью трубной перегородки 10, и, кроме того, ионы меди, образовавшиеся в генераторе 4. Процесс финишной обработки идет по принципу синергизма, т.е. совместного воздействия на воду двух разнородных по своей природе агентов. Результирующий эффект от такого воздействия выше, чем от воздействия каждого из таких агентов по отдельности.
Качество обезвреживания воды контролируется датчиком интенсивности УФ-лучей 34, связанным с системой СМУ.
Обезвреженная балластная вода через патрубок 6 отводится в балластную цистерну судна при балластировке судна, либо за борт - при дебалла-стировке.
Групповая фиксации между собой свободных концов ФЭЛ с помощью стопорных планок 20 практически полностью исключает вибрацию ФЭЛ при работе аппарата как в стационарном, так и в импульсном режимах. Одновременно снижается гидродинамический шум от работающего оборудования, улучшаются санитарные условия для обслуживающего персонала.
Процесс регенерации ФЭЛ происходит следующим образом.
Клапаны 31, 33 и 28 закрыты. Через клапан 29 в устройство медленно подают исходную воду. Проходя через корзину 4, вода постепенно насыщается ионами меди и частично заполняет аппарат, вытесняя воздух из него в полость крышки 2. Давление воздуха в полости 2 поднимается до уровня давления воды в магистрали сжатого воздуха. Затем открывается быстрозапорный клапан 31 и давление воды в полости фильтра мгновенно падает до нуля. За счет эффекта «микро гидравлического удара» основная масса агрегатов сползает с поверхности ФЭЛ и с потоком воды собирается в коллекторе 32, далее отводится на сброс через открытый клапан 31. Эффективная регенерация ФЭЛ достигается за счет гладкой боковой стенки, «микро гидравлического удара» и разрушения агрегатов на поверхности ФЭЛ под действием УФ-лучей, действующих внутри ФЭЛ.
Сброс осадка 36 осуществляется через клапан 28. Важно, что осадок отправляется на сброс уже обезвреженным, поскольку в процессе образования он постоянно находится в растворе, обогащенном ионами меди, поступающими из генератора меди за счет диффузии.
Весь процесс работы аппарата полностью автоматизирован с использованием СМУ. Ручных операций практически не требуется.
Таким образом, совместное действие всех существенных признаков заявляемого технического решения как известных, так и предлагаемых обеспечивает достижение требуемого технического результата, который достигается за счет упрощение конструкции аппарата и повышение эффективности процесса обезвреживания (изготовление аппарата в виде единого моноблока, все составные элементы которого - блок УФ-ламп, генератор меди и камеры седиментации, сборник осадка - размещены внутри блока фильтров, а генератор меди размещен в полости камеры седиментации). Достижение улучшения массо-габаритных характеристик решается исключением пяти отдельно стоящих корпусов фильтров, насосов, системы трубопроводов и уменьшения значительного количества арматуры, компоновки УФ-ламп в полости ФЭЛ, финишного обезвреживания с использованием синергидного эффекта от совместного действия УФ-лучей и ионов меди, совместного действия прямых и отраженных УФ-лучей, импульсной подачи воды на вход в аппарат. Снижение эксплуатационных затрат достигается за счет отказа от использования энергоемких процессов и оборудования (генератора активного хлора, озоно-генератора и др.); сокращения частоты промывок за счет более интенсивной регенерации ФЭЛ; полной автоматизации процесса и отказа от ручных операций. Обеспечение экологической и санитарной безопасности, достигается за счет: отказа от использования токсичных и дурно пахнущих веществ (активного хлора и озона); устранения шума и вибрации путем групповой фиксации ФЭЛ; исключения сброса необезвреженных осадков. Повышение конкурентоспособности оборудования на рынке достигается на примере сравнения с аналогом удельных параметров по пп. 1, 2, 3 и 4.
3
ПРИМЕР. Выполнено сравнение предлагаемого технического решения «Аппарат для обезвреживания судовых балластных вод» и известной полезной модели «Система обезвреживания судовых балластных вод» по патенту RU 17886. Сравнение выполнено применительно к системе обезвреживания судовых балластных вод производительностью 2500 м/ч (таблица 1).
Таблица 1
Параметры
Заявляемое устройство
Полезная модель Пат. RU
Производительность, м<sup>3</sup>/ч
2500
2500
Тонкость фильтрации, мкм
50
50
Конструктивная сложность
Простота конструкции
Высокая конструктивная
сложность
Количество крупногабаритных корпусов
1
5
Число электромагнитных клапанов
4
14
Потребляемая мощность, вВт
18
29
Габаритные размеры,мм
1500×1500×2600
4800××3000×2600
Масса, кг
2100
7800
Экологическая безопасность
Обеспечена на 100%
Полностью не обеспечена
Санитарная безопасность
Обеспечена на 100%
Полностью не обеспечена
Удельные эксплуатационные затраты на обезвреживание 10000 м<sup>3</sup> балластной воды, руб.<sup>∗)</sup>
9400
13500
Конкурентоспособность оборудования
Высокая
Низкая
Примечание к таблице: ∗) - кроме оборудования общесудовых систем (насосы, танки, трубопроводы, КИП)
Из таблицы следует, что заявляемый аппарат для обезвреживания судовых балластных вод превосходит прототип по большинству параметров сравнения, что свидетельствует о достижении полезного технического результата.