УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
WATER DECONTAMINATOR

Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может найти применение в быту для очистки питьевой воды.
Известно устройство для очистки воды по патенту РФ на изобретение №2338573, МПК B01D 17/038, опубл. 20.11.2008 г.
Устройство включает цилиндрический корпус, в котором коаксиально установлена цилиндрическая реакционная камера и источник света. Между корпусом и реакционной камерой образованы распределительная и накопительная емкости, разделенные герметичной перегородкой. Внутри реакционной камеры коаксиально установлен частотно-волновой фильтр в виде вертикальных струн, равномерно расположенных по окружности цилиндра, или в виде сетки с вертикальной основой. С внутренней стороны фильтра образована емкость товарной жидкости. Натяжением струн фильтра обеспечивают настройку резонансно-модулированного сигнала. Частотно-волновой энергетический фильтр, элементы формирования вихревого потока, а также элементы подачи и отвода жидкостей. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки.
Недостаток - сложность устройства.
Известно устройство для очистки воды по патенту РФ на полезную модель №130872, МПК B01D 24/00, опубл. 10.08.2013 г.
Этот фильтр для очистки питьевой воды, содержащий фильтрующий материал, два полых перфорированных цилиндра разного диаметра, при этом цилиндр меньшего диаметра помещен внутрь цилиндра большего диаметра, между ними уложен фильтрующий материал, отделенный от поверхностей цилиндров сетчатым материалом, на торцевых сторонах цилиндров установлены крышки, а внешняя поверхность цилиндра большего диаметра закрыта нетканым пористым материалом из полимерных волокон.
Известно устройство для очистки воды по патенту РФ на полезную модель №107972, МПК В04С 5/12, опубл. 10.09.2011 г.
Устройство для очистки жидкости от твердых частиц включает как минимум две ступени очистки, одна из которых содержит как минимум одно устройство центробежного отделения твердых частиц от жидкости, а другая ступень содержит как минимум один фильтрующий элемент, отличающееся тем, что фильтрующий элемент выполнен в виде листовых фильтров с внешним коллектором для отвода отфильтрованной жидкости.
Недостаток  - маленький ресурс устройства из-за засорения его фильтрующего элемента.
Известно устройство для обеззараживания воды по патенту US на изобретение №6521248, МПК А61К 35/02, опубл. 18.02.2003 г.
Устройство содержит корпус и кавитатор для дезинфекции питьевой воды. Однако в нем не предусмотрены средства для очистки и структурирования воды.
Известно устройство индивидуальное для структурирования и биологической активации питьевой воды по патенту РФ на изобретение №2398739, МПК A02F 1/00, опубл. 10.09.2010 г.
Признаки, общие с у аналога и предложенного устройства: корпус, выполненный из диэлектрического материала, преимущественно цилиндрической формы, две крышки: входную и выходную, входной и выходной штуцера с подводящим и отводящим каналами, магнитную систему, образованную постоянными магнитами.
Недостаток - низкая эффективность магнитной системы из-за расположения постоянных магнитов вне корпуса и отсутствие средств обеззараживания воды.
Известно устройство для очистки воды по патенту РФ на полезную модель №107972, МПК B01F 13/00, опубл. 10.10.2000 г., прототип.
Этот фильтр очистки воды высокого давления, включающий основание, цилиндрический корпус, внутри которого расположен фильтрующий узел, входной, выходной и сливной патрубки, отличающийся тем, что за счет устройства входного патрубка по касательной к корпусу, создающего поле центробежных сил и разделение жидкости на твердую и жидкую фазу, производится двухступенчатая очистка фильтрующей жидкости.
Признаки, общие для прототипа и заявленного устройства: верхний и нижний цилиндрические корпуса, соединенные между собой с образованием внутренней полости, входной выполненный тангенциально и выходной патрубок, установленные вдоль оси корпусов.
Недостаток устройства - относительно низкая эффективность очистки из-за небольших центробежных сил, действующих на твердые частицы (примеси).
Задачами создания изобретения являются улучшение очистки воды и обеспечение ее дезинфекции без применения химических средств.
Технические результаты - обеспечение обеззараживания воды и ее очистки.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для обеззараживания воды,  содержащем корпус, выполненный из диэлектрического материала, преимущественно цилиндрической формы, две крышки: входную и выходную, установленные на торцах корпуса, входной и выходной топливные штуцера с подводящим и отводящим каналами, магнитную систему, образованную двумя постоянными магнитами кольцевой формы, размещенными в корпусе соосно друг за другом с зазором, две рабочие камеры: первую и вторую, разделенные перегородкой, отличающемся тем, что согласно изобретению первая рабочая камера выполнена концентрично постоянным магнитам между ними и корпусом, а вторая выполнена между перегородкой и выходной крышкой, во второй рабочей полости установлена центробежная гидротурбина, первый кольцевой магнит центрирован во входной крышке, перегородка выполнена с двумя центрирующими цилиндрическими выступами с обеих сторон, один из которых предназначен для центрирования второго постоянного магнита, а второй цилиндрический выступ служит для установки ступицы рабочего колеса центробежной гидротурбины, в перегородке по периферии выполнена кольцевая  полость, соединенная радиальными отверстиями с несквозным заглушенным осевым отверстием, которое радиальными отверстиями сообщается с входной полостью гидротурбины, выполненной в ее ступице, которая, в свою очередь, выходными радиальными отверстиями сообщается с полостью рабочего колеса центробежной гидротурбины. Рабочее колесо центробежной гидротурбины выполнено в виде диска, установленного на ступице перпендикулярно оси устройства, а на одном торце диска выполнены лопатки турбины. Лопатки турбины могут быть выполнены в виде спирали Архимеда. Лопатки турбины могут быть закрыты передней крышкой. Внутри второй камеры может быть выполнены кавитаторы, установленные на внутренней стенке корпуса и/или торце ее выходной крышки. Кавитаторы могут быть выполнены в виде выступов треугольной формы.
На внутренней поверхности корпуса может быть нанесено покрытие из серебра.
На внутренней поверхности конфузора может быть нанесено покрытие из серебра.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…8, где:
- на фиг 1 приведена конструкция устройства,
- на фиг. 2 приведены перегородка и рабочее колесо центробежной гидротурбины,
- на фиг. 3 приведено рабочее колесо центробежной гидротурбины, первый вариант,
- на фиг. 4 приведено рабочее колесо центробежной гидротурбины, второй вариант,
- на фиг. 5 приведена спираль Архимеда,
- на фиг. 6 приведен первый вариант установки кавитаторов,
- на фиг. 7 приведен второй вариант установки кавитаторов,
- на фиг. 8 приведено устройство с выходным конфузором.
На фиг. 1…8 изображена схема устройства для магнитного обеззараживания воды и варианты исполнения ее отдельных основных узлов.
Устройство (фиг.1) содержит корпус 1, выполненный из диэлектрического материала, преимущественно цилиндрической формы, две крышки: входную крышку 2 и выходную крышку 3, установленные в резьбовых участках 4 и 5. На наружных торцах 6 и 7 крышек 2 и 3 выполнены входной 8 и выходной 9 топливные штуцера с подводящим 10 и отводящим 11 каналами, магнитную систему, образованную двумя постоянными магнитами первым 12 и вторым 13 кольцевой формы, имеющими центральные отверстия 14, размещенными внутри корпуса 1 соосно друг за другом с зазором 15, имеющим ширину δ. Первый постоянный магнит 11 центрируется на входной крышке 2. Устройство содержит две рабочие полости 16 и 17, разделенные перегородкой 18. Первая полость 16 выполнена между внутренней стенкой 19 корпуса 1 и постоянными магнитами 12 и 13. Вторая рабочая полость 17 выполнена между перегородкой 18 и внутренним торцом 20 выходной крышки 3.
Во второй рабочей полости 17 выполнена центробежная гидротурбина 21 с рабочим колесом 22. Роль корпуса гидротурбины 21 выполняют корпус 1, выходная крышка 3 и перегородка 18.
Перегородка 18 (фиг.2) выполнена с двумя центрирующими цилиндрическими выступами 23 и 24 с обеих сторон, один из которых 23 предназначен для центрирования второго постоянного магнита 13, а второй цилиндрический выступ 24 служит для установки ступицы 25 рабочего колеса 22 центробежной гидротурбины 21. В перегородке 18 по периферии выполнен кольцевой коллектор 26, соединенный осевыми отверстиями 27 с первой рабочей полостью 16 и радиальными отверстиями 28 с центральным осевым отверстием 29, которое выполнено несквозным и заглушено с одной стороны винтом 30. В ступице 25 выполнена входная полость 31 центробежной гидротурбины 21. Центральное осевое отверстие 29 радиальными отверстиями 32 сообщается с входной полостью 31 гидротурбины 21 (фиг.2), которая, в свою очередь, выходными радиальными отверстиями 33 сообщается с полостью 34 рабочего колеса 22 центробежной гидротурбины 21.
Перегородка 18 может быть выполнена из диэлектрического материала и установлена внутри корпуса 1, и ее осевое положение зафиксировано при помощи разрезного кольца 35. установленного в корпусе 1.
Рабочее колесо 22 центробежной гидротурбины 21 кроме ступицы 25 содержит диск 36, на котором выполнены рабочие лопатки 37. Ступица 25 закреплена на выступе 24 с возможностью вращения при помощи винта 30, под которым установлена шайба 38 (фиг.3).
Во втором варианте исполнения гидротурбины 21 рабочие лопатки 37 закрыты передней крышкой 39 (фиг. 4). Рабочие лопатки 37 могут быть выполнены в виде спирали Архимеда (фиг. 5).
Для снижения гидравлических потерь внутри выходной крышки 3 может быть выполнен конический канал 40 (фиг. 1) или на выходной крышке 3 перед выходным штуцером 9 выполнен конфузор 41 (фиг. 8).
Для глубокой полного обеззараживания воды кавитацией в устройстве могут быть применены кавитаторы 42, которые могут быть выполнены, например, в виде треугольных выступов, расположенных на внутренней стенке 19 корпуса 1 во второй рабочей полости 17 (фиг. 6), или на внутреннем торце 20 выходной крышки 7 (фиг. 7), или на внутренней стенке 43 конфузора 41 (фиг. 8).
Место установки кавитаторов 42 выбрано из условия максимальной скорости движения потока воды и, как следствие, минимума статического давления способствующего кавитации.
Кавитация
kp
kp
Кавитация - К. (от лат. cavitas - пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения p (в реальной жидкости p приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то К. называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн - акустической.
Гидродинамическая кавитация
кр
Поскольку в реальной жидкости всегда присутствуют мельчайшие пузырьки газа или пара, то, двигаясь с потоком и попадая в область давления р<р, они теряют устойчивость и приобретают способность к неограниченному росту). После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться. Если пузырек содержит достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и совершает нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырек захлопывается полностью в первом периоде жизни. Таким образом, вблизи обтекаемого тела (например, в трубе с местным сужением, фиг. 2) создается довольно четко ограниченная ″кавитационная зона″, заполненная движущимися пузырьками.
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом (своего рода гидравлическим ударом), тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития К. такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен Гц до сотен и тысяч кГц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела (лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и др. гидротехнических устройств).
2
2
2
2
Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости. Прочность на разрыв воды, вычисленная при учете тепловых флуктуации, равна 150 Мн/м (1500 кг/см). Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10°C, составляет 28 Мн/м (280 кг/см). Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований, возникающих под действием космических лучей.
При данной форме обтекаемого тела К. возникает при некотором, вполне определенном для данной точки потока, значении безразмерного параметра
<mrow><mi>χ</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mfrac><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mi>H</mi></msub></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msubsup><mi>υ</mi><mi>∞</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
н
∞
где p - гидростатическое давление набегающего потока, p - давление насыщенного пара, ρ - плотность жидкости, υ - скорость жидкости на достаточном отдалении от тела. Этот параметр называют "числом кавитации", служит одним из критериев подобия при моделировании гидродинамических течений. Увеличение скорости потока после начала К. вызывает быстрое возрастание числа кавитационных пузырьков, вслед за чем происходит их объединение в общую кавитационную каверну, затем течение переходит в струйное (см. Струя). При этом течение сохраняет нестационарный характер только в области замыкания каверны. Особенно быстро струйное течение организуется в случае плохо обтекаемых тел.
н
k
k
н
<mrow><mi>χ</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mi>∞</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msubsup><mi>υ</mi><mi>∞</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mi>r</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>υ</mi><mi>∞</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mi>g</mi><mi>d</mi></mrow>
Если внутрь каверны, через тело, около которого возникает К., подвести атмосферный воздух или иной газ, то размеры каверны увеличиваются. При этом установится течение, которое будет соответствовать числу кавитации, образованному уже не по насыщающему давлению водяного пара p, а по давлению газа внутри каверны p, т.е.
Всплывание такой кавитационной каверны будет определяться т.н. числом Фруда
, где g - ускорение силы тяжести, a d - некоторый характерный линейный размер. Так как p может быть много больше p, то в таких условиях возможно при малых скоростях набегающего потока получать течения, соответствующие очень низким значениям, т.е. глубоким степеням развития К. Так, при движении тела в воде со скоростью 6-10 м/сек можно получить его обтекание, соответствующее скоростям до 100 м/сек. Кавитационные течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, называют искусственной К.
Гидродинамическая К. может сопровождаться рядом физико-химических эффектов, например искрообразованием и люминесценцией. В ряде работ обнаружено влияние электрического тока и магнитного поля на К., возникающую при обтекании цилиндра в гидродинамической трубе.
Исследование К. и борьба с ней имеют большое значение, так как К. оказывает вредное влияние на работу гидротурбин, жидкостных насосов, гребных винтов кораблей, подводных звукоизлучателей, жидкостных систем высотных самолетов и т.д., снижает коэффициент полезного действия и приводит к разрушениям. К. может быть уменьшена при увеличении гидростатического давления, например, помещением устройства на достаточной глубине по отношению к свободной поверхности жидкости, а также подбором соответствующих форм элементов конструкции, при которых вредное влияние К. уменьшается. Для уменьшения эрозии лопасти рабочих колес изготавливают из нержавеющих сталей и шлифуют.
Экспериментальные исследования К. производятся в так называемых кавитационных трубах, представляющих собой обычные гидродинамические трубы, оборудованные системой регулирования статического давления.
Кавитация разрушает микробы и приводит к дезинфекции питьевой воды без применения химических средств.
Стрелками показано направление движения воды.
Работает устройство следующим образом (фиг.1…8).
Вода из крана по шлангу (не показаны) через входной штуцер 8 по входному каналу 10 и отверстию 14 подается в зазор 15 между постоянными магнитами 12 и 13, где очищается от металлических примесей и происходит ее обеззараживание.
В первой рабочей полости 16 выпадают металлические осадки. Далее по осевым отверстиям 27 вода поступает в кольцевой коллектор 26 и далее по радиальным отверстиям 28 в центральное осевое отверстие 29. Из центрального осевого отверстия 29 через радиальные отверстия 32 сначала во входную полость 31 и через выходные радиальные отверстия 33 в полость 34 между диском 36 и рабочими лопатками 37.
Общее воздействие магнитного поля заключается в ослаблении молекулярных связей приводит к оптимизации процессов очистки. Происходит обеззараживание воды из-за уничтожения микробов кавитацией.
Таким образом, выполнение устройства с второй рабочей камерой и центробежной гидротурбиной обеспечивает добавочное завихрение воды с одновременной повторной поляризацией ядер атомов под воздействием магнитного поля со стороны наружной цилиндрической поверхности второго постоянного магнита через перегородку, выполненную из диэлектрического материала, за счет чего добавочно уменьшается вязкость воды и ее поверхностное натяжение и, как следствие, повышаются полезные качества воды и ее лечебные и вкусовые свойства.
Изготовлен и успешно испытан опытный образец устройства.