УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ СЫПУЧИМ МАТЕРИАЛОМ

Полезная модель относится к устройствам для физической и химической обработки воды и может быть использована в бальнеологии, косметологии, быту, спорте и культах для обработки воды сыпучими материалами.
Процессы физической и химической обработки воды путем контакта с твердыми материалами имеют большое распространение. Это и широко известные фильтрация, адсорбция для извлечения из воды нежелательных компонентов, так и менее распространенные процессы передачи воде путем контакта желательных свойств: бактерицидный эффект, олигодинамический эффект, т.н. "энергетическое", "информационное" воздействие, или откровенно культовое. Известны способы обработки воды настаиванием на таких материалах как шунгит, окаменелые останки ископаемых моллюсков, металлическое серебро, медь, черный кремень, окрашенные кварцы, иониты, янтарь и др., когда в емкость с водой погружают эти материалы и выдерживают определенное время для получения
ожидаемого эффекта (например, кварцевый набор для зарядки питьевой воды, http://wwwrusskaya-apteka.ru/csm.12.htm1).
Недостатком способа обработки воды настаиванием является низкая эффективность процесса из-за малой скорости массообмена (например, диффузии) и энергообмена (например, теплоотдачи) при малых относительных скоростях воды и частиц. При любой модели взаимодействия воды и твердого материала имеется в виду взаимодействие с водой через поверхность твердых материалов. Поэтому для увеличения эффективности обработки за счет увеличения площади контакта применяют дробленые сыпучие твердые материалы. Под эффективностью обработки воды сыпучим материалом мы будем понимать поток (число единиц в секунду) вещества, энергии, информации от единичной массы сыпучего материала к воде, или в противоположном направлении.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является фильтр бытовой настольный шунгитовый (http://www.novgorod.net/~ruapteka/retnger.htm1). Он включает корпус для вмещения сыпучего материала в виде банки с крышкой, снабженный снизу входным патрубком для подачи воды, а сверху - выходным для ее отвода.
Работает устройство следующим образом. Вода по дается через входной патрубок в низ корпуса, полностью заполненного сыпучим материалом, фильтруется через сыпучий материал и покидает корпус через выходной патрубок.
Недостатками этого устройства являются низкая эффективность обработки воды из-за малой удельной поверхности сыпучего материала, быстрое снижение эффективности обработки воды из-за снижения скорости обменных процессов между твердой поверхностью и водой в результате истощения поверхности сыпучего материала по экстрагируемым веществам, или напротив, насыщения ее адсорбируемыми из воды веществами и загрязнения поверхности частиц
сыпучего материала отложениями из воды. Причинами, препятствующими получению высокой эффективности обработки воды путем применения сыпучих материалов с большей удельной поверхностью, более мелких, следовательно обладающих большим гидравлическим сопротивлением, являются особенности конструкции устройства, не позволяющие работать при повышенном давлении воды на входе. Так, указанный слой шунгита может существовать только до перепада давления на нем равного его плавучему весу, при большем он будет выкинут в выходной патрубок. Конструкция корпуса в виде банки с крышкой неудобна для герметизации корпуса, необходимой для работы с повышенным давлением из-за протяженности линии герметизации.
Техническая задача, на решение которой направлено данное решение, состоит в разработке устройства, позволяющего увеличить эффективность обработки воды сыпучими материалами.
Технический результат, получаемый в результате реализации предлагаемой полезной модели состоит в увеличении эффективности обработки воды сыпучими материалами благодаря применению сыпучих материалов с большей удельной поверхностью, интенсификации взаимодействия воды и твердой поверхности сыпучего материала и постоянной очистке и обновлению твердой поверхности сыпучего материала в процессе взаимодействия с водой.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, включающем корпус для вмещения в нем загрузки сыпучего материала, снабженный с разных сторон входным и выходным патрубками для подачи и отвода воды,
входной и выходной патрубки отделены от внутренности корпуса с загрузкой сыпучего материала защитными решетками, препятствующими попаданию частиц сыпучего материала в патрубки, а корпус выполнен в форме бутылки, предпочтительно
круглой, с горлышком, присоединяемым известным способом, предпочтительно винтовым соединением, к одному из сквозных колен входного патрубка, выполненного в виде известного предпочтительно прямоугольного, тройника, при этом подвод жидкости осуществляется через боковое колено тройника, а выходной патрубок со дна бутылки выводится через ее горлышко и через пробку в сквозном колене тройника, противоположном прикрепленной бутылке.
Благодаря надежности герметизации горлышка бутылки, установленной на протяжении всей истории человечества, наличию защитных решеток на патрубках, препятствующих выдавливанию сыпучего материала из корпуса в выходной патрубок давлением подаваемой воды на слой сыпучего материала, а во входной - обратным давлением, возникающем при прекращении подачи воды, данная конструкция позволяет подавать воду с большим давлением и благодаря этому применять более мелкодисперсный сыпучий материал с большей удельной поверхностью и тем достигать технического результата, заключающегося в увеличении эффективности обработки воды.
Данное устройство может быть использовано для обработки воды сыпучими материалами в кипящем слое при особых условиях, а именно, если бутылка расположена горлышком вниз и при известном диаметре горлышка бутылки, диаметре и высоте корпуса бутылки, угле наклона сужающейся к горлышку части бутылки, объемная скорость воды обеспечивает линейную скорость воды в корпусе большую критической скорости псевдоожижения, но не превышающую скорости витания частиц сыпучего материала, а в горлышке превышающую скорость витания, а угол естественного откоса сыпучего материала меньше угла наклона стенок и объем загрузки сыпучего материала позволяет вместиться кипящему слою между защитными решетками.
В кипящем слое технический результат состоящий в повышении эффективности обработки воды, получается благодаря известной высокой эффективности массопередачи и энергопередачи и, кроме того, постоянной очистке поверхности частиц сыпучего материала и ее обновления за счет износа в результате трения и соударения частиц Друг о друга в кипящем слое.
В этом варианте применения устройства возможен дополнительный технический результат, заключающийся в возможности дополнительной очистки воды намывным фильтром, сформированным на выходной защитной решетке, путем подачи воды со скоростью больше скорости витания частиц сыпучего материала, а затем уменьшения ее до скорости меньше скорости витания. Этот дополнительный технический результат, также обусловлен наличием защитной решетки на выходном патрубке, служащей опорой доя намывного слоя, и упомянутой выше возможностью работать при повышенном давлении, позволяющей обеспечить путем повышения давления достаточную линейную скорость воды для псевдоожижения при возросшем за счет образования намывного фильтра гидравлическом сопротивлении.
В конкретной форме выполнения, когда корпус для вмещения сыпучего материала выполнен для известных объемной скорости воды, объема загрузки, скорости витания в воде частиц, критической скорости псевдоожижения сыпучего материала и его естественного угла откоса в воде в форме перевернутой вниз горлышком бутылки с проходным сечением, обеспечивающим линейную скорость воды большую критической скорости псевдоожижения, но не превышающую скорости витания частиц сыпучего материала, с нижней частью, сужающейся до горлышка, имеющего проходного сечение, обеспечивающее линейную скорость воды, превышающую скорость витания частиц сыпучего материала, имеющей угол наклона стенок, больший естественного угла откоса в воде сыпучего
материала, и с общей высотой, достаточной для вмещения псевдоожиженного слоя сыпучего материала между защитными решетками патрубков, данное устройство может использоваться для обработки воды сыпучими материалами в кипящем слое.
В этой конкретной форме выполнения для кипящего слоя также получается технический результат, заключающийся в увеличении эффективности обработки благодаря известной высокой эффективности массообмена и энергообмена в кипящем слое, постоянной очистке поверхности частиц сыпучего материала и ее обновлению за счет износа в результате трения и соударения частиц друг о друга. Также возможен дополнительный технический результат, заключающийся в дополнительной очистке обрабатываемой воды фильтрованием через намывной фильтр, сформированный на выходной защитной решетке, путем подачи воды со скоростью больше скорости витания, а затем уменьшения ее до скорости меньше скорости витания.
Для некоторых конкретных форм выполнения устройства, определяемых известными объемными скоростями воды и вышеупомянутыми характеристиками применяемых сыпучих материалов в качестве корпуса устройства по форме, геометрии и размерам подходят ПЭТ бутылки из-под напитков. Это дает дополнительные технические результаты - удешевление корпуса и вторичное использование пластиковых бутылок, засоряющих окружающую среду.
На фиг.1 показана конструкция устройства (А, С) и ее использование для обработки воды в режиме насыпного слоя сыпучего материала (В).
На фиг.2 показано устройство при особых условиях его использования или конкретной форме выполнения для обработки воды сыпучим материалом в кипящем слое, А - в стационарном, В - в рабочем состоянии.
На фиг.1 корпус 1 для размещения загрузки сыпучего материала 6, снабженный снизу входным 2, сверху выходным 3 патрубками для воды, отделенными входной 4 и выходной 5 защитными решетками от внутренности корпуса 1 с загрузкой сыпучего материала 6, препятствующими попаданию частиц загрузки сыпучего материала 6 в патрубки 2,3 выполнен в форме бутылки с винтовым горлышком 9, присоединяемым посредством винтовой резьбы 10 к одному из сквозных колен 11 входного патрубка 2, выполненного в виде тройника, при этом подвод воды осуществляется через боковое колено 12 тройника, а выходной патрубок 3 со дна бутылки выводится через ее горлышко 9 и через пробку 13 в сквозном колене тройника, противоположном прикрепленной бутылке 1. Защитные сетки 4 и 5 выполнены цилиндрическими и располагаются коаксиально, входная 4 в сквозном отверстии 11 входного патрубка 2, перекрывая его боковое отверстие 12, а выходная 5 перекрывает вход в выходной патрубок 3. В общем случае использования дня обработки воды в насыпном слое сыпучего материала, вся внутренность корпуса 1 заполняется сыпучим материалом 6.
На фиг.2 показано устройство при особых условиях его использования для обработки воды сыпучим материалом в кипящем слое.
При диаметре горлышка d, диаметре корпуса D, угле а наклона стенок в сужающейся к горлышку части и общей высоте Н объемная скорость воды должна обеспечивать линейную скорость воды в корпусе большую критической скорости псевдоoжижения, но не превышающую скорости витания частиц сыпучего материала, а в горлышке - превышающую скорость витания; угол естественного откоса сыпучего материала должен быть меньше угла наклона стенок сужающейся к горлышку части а. а объем загрузки сыпучего материала должен позволять вместиться кипящему слою 7 между защитными решетками 4 и 5. В частном случае использования, путем увеличения линейной скорости воды
больше скорости витания частиц сыпучего материала на выходной защитной решетке 5 может быть сформирован намывной фильтр 8.
На этой же фиг.2 показана конкретная форма выполнения устройства дога обработки воды сыпучим материалом в кипящем слое 7. В этом случае корпус 1 выполнен для известных объемной скорости воды, объема загрузки, скорости витания в воде частиц, критической скорости псевдоожижения сыпучего материала и его естественного угла откоса в воде в форме перевернутой бутылки с диаметром D, обеспечивающем линейную скорость воды, большую критической скорости псевдоожижения, но не превышающую скорости витания частиц сыпучего материала, с нижней частью, сужающейся к горлышку бутылки с диаметром d, обеспечивающим линейную скорость воды, превышающую скорость витания частиц сыпучего материала, и имеющей наклон стенок а, больший естественного угла откоса в воде сыпучего материала и с общей высотой Н, достаточной для вмещения псевдоожиженного слоя сыпучего материала между защитными решетками патрубков 4 и 5. В частном случае использования данного устройства, путем увеличения линейной скорости воды больше скорости витания частиц сыпучего материала на выходной защитной решетке 5 может быть сформирован намывной слой 8. Работает устройство следующим образом (см. фиг.1А, В, С)
Все пространство внутри бутылки 1 заполняется сыпучим материалом 6, например, шунгитом, кварцем, черным кремнем, окаменелыми останками моллюсков, янтарем, другими минералами, адсорбентами, гвердымибактерицидами и т.д., вода подается через боковое колено 12 входного патрубка 2, проходит через защитную решетку 4, фильтруется через сыпучий материал 6, проходит через выходную защитную решетку 5 и через выходной патрубок 3 покидает устройство. Благодаря простоте герметизации горлышка бутылки, наличию защитных
решеток на патрубках 2 и 3, препятствующих выдавливанию сыпучего материала в патрубки, данная конструкция позволяет подавать воду с большим давлением и благодаря этому применять более мелкодисперсный сыпучий материал, имеющий большую удельную поверхность и достигать технического результата заключающегося в увеличении эффективности обработки воды.
В особых условиях использования или в конкретной форме исполнения для обработки воды сыпучим материалом в кипящем слое (см, фиг.2А, В) вода для обработки поступает в устройство с размещенной в корпусе 1 загрузкой сыпучего материала 6, например, шунгита, кварца, черного кремня, окаменелых останков моллюсков, янтаря, других минералов, твердых бактерицидов и т.д., с известной объемной скоростью через входной патрубок 2, проходит входную сетку 4, проходя через горлышко бутылки 9 с диаметром d, где она имеет линейную скорость больше скорости витания частиц и поэтому захватывает их и выносит через сужающуюся часть в широкую часть бутылки с диаметром D в форме фонтанирующего кипящего слоя, здесь линейная скорость замедляется до скорости выше критической скорости псевдоожижения, но ниже скорости витания частиц сыпучего материала и формируется кипящий слой сыпучего материала 7 .
Благодаря характерному для бутылок расширению корпуса от горлышка к большому диаметру, линейная скорость воды у стенок не только меньше критической скорости псевдоожижения сыпучего материала, но и направлена противотоком к горлышку, поэтому вдоль стенок частицы падают вниз и благодаря тому, что сужающаяся часть имеет угол наклона стенок а, больший, чем естественный угол откоса в воде сыпучего материала, и, следовательно, достаточный для скатывания в воде сыпучего материала вниз по стенкам, последний опять попадает в поток воды и выносится наверх. Пройдя через кипящий слой сыпучего материала 7 и через выходную сетку 5 обработанная вода покидает устройство.
Технический результат, состоящий в увеличении эффективности обработки воды сыпучим материалом, достигается в кипящем слое благодаря известному интенсивному массообмену и энергообмену в кипящем слое между водой и поверхностью сыпучего материала, а также благодаря постоянной очистке и обновлению поверхности частиц сыпучего вещества в процессе их соударения друг с другом и со стенками, приводящему к износу поверхности и удалению насыщенного или наоборот - истощенного слоя твердого вещества.
Целесообразно для дополнения процесса обработки фильтрацией обработанной воды, с целью дополнительной очистки, очистки от продуктов износа частиц, сформировать на выходной сетке 5 намывной фильтрующий слой 8. Для этого устанавливается объемная скорость больше скорости Виталия частиц сыпучего материала, обеспечивающая унос частиц вверх из широкой части корпуса 1 и образование из них намывного фильтрующего слоя 8 на выходной решетке 5, затем объемная скорость снижается до рабочей, а намывной слой 8 продолжает держаться на выходной решетке 5 за счет ею гидравлического сопротивления. Плавучий вес этого слоя равен его гидравлическому сопротивлению.
Для кипящего слоя в частных случаях целесообразно применять комбинированную загрузку из разных сыпучих материалов, различающихся твердостью, например шунгит и корунд. Дополнительный технический результат в этом случае состоит в дополнительном повышения эффективности обработки воды за счет более интенсивного истирания более мягкого материала (шунгит) более твердым.
Для кипящего слоя в частных случаях целесообразно применять сыпучие материалы с разными скоростями витания частиц: с меньшей для образования намывного фильтрующего слоя 8 на выходной решетке 5, например, из активированного угля или цеолита, а с большей - для образования кипящего слоя, например
шунгита, кремния, цветного кварца. Этим достигается дополнительный технический результат - раздельная обработка разными материалами в кипящем и намывном слое. Это целесообразно, например, в случае, когда один из сыпучих материалов не обладает достаточной прочностью для работы в кипящем слое, как например, активированный уголь, а истирание его нежелательно.
Промывка намывного фильтрующего слоя 8 производится путем ею сброса с поддерживающей решетки 5 при отключении подачи воды, а затем повторного нанесения на решетку 5 при увеличении ее объемной скорости.