РЕАКТОР ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОДЫ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к техническим средствам ультрафиолетового обеззараживания воды в потоке (ультрафиолетовая динамическая стерилизация) и предназначена для использования в аквавендинговых аппаратах и других устройствах подготовки питьевой воды.
Уровень техники
На рынке широко известен типовой ультрафиолетовый динамический стерилизатор воды, предназначенный для стерилизации воды в потоке. Он содержит две трубы - внутреннюю из кварцевого стекла и внешнюю из ПВХ, герметично соединенные между собой с торцов. На внешней трубе с противоположных сторон вблизи торцов установлены два штуцера, выходящие за пределы защитного кожуха устройства. Штуцеры предназначены для подсоединения впускного и выпускного шлангов. Во внутренней трубе расположена ультрафиолетовая лампа, характеризующаяся возможностью создания вокруг нее (в процессе ее работы) зоны эффективной стерилизации. При этом лучи лампы проходят через кварцевое стекло и воздействуют на микроорганизмы, находящиеся в воде, протекающей между внутренней и внешней трубами, осуществляя тем самым искомую стерилизацию. Таким образом, пространство между указанными трубами является рабочим пространством стерилизатора, которое полностью входит в зону эффективной стерилизации и по объему не превышает эту зону (см., например, сайт:
http://akvariumonline.ru/oborudovanie/spet-sialnye-ustrojstva/chto-takoe-uf-sterilizator.html).
Признаки известного устройства, общие с признаками заявленного технического решения, заключаются в наличии упомянутых штуцеров и источника ультрафиолетового излучения, характеризующегося возможностью создания вокруг него в процессе его работы зоны эффективной стерилизации.
Причина, препятствующая получению в известном устройстве технического результата, который обеспечивается заявленным техническим решением, заключается, во-первых, в существенной ограниченности объема рабочего пространства между трубами, вследствие чего данное пространство не может выполнить функцию гидроаккумулятора, необходимую для обеспечения бесперебойного снабжения водой, во-вторых, рабочее пространство между трубами имеет проходное сечение, практически не превышающее (а если превышающее, то незначительно) проходные сечения штуцеров, вследствие чего скорость движение потока воды в этом пространстве практически не снижается относительно скорости в штуцерах, что не замедляет движение воды в рабочем пространстве и вследствие этого не увеличивает время ультрафиолетового облучения проходящей воды и, соответственно, не повышает эффективность стерилизации, в-третьих, поток в пространстве между трубами является ламинарным, что является дополнительным фактором неповышения эффективности стерилизации.
Известно устройство для безреагентного обеззараживания воды в потоке (прототип), содержащее корпус с узлами подачи и отвода воды, завихритель потока воды, установленный в узле подачи, источники ультрафиолетового излучения с защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетовых лучей, расположенные в корпусе, ультразвуковые излучатели, а также вставку, расположенную в корпусе в виде протяженного тела, на внутренних сторонах которой расположены ультразвуковые излучатели (патент RU № 2332358 С1, МПК C02F1/36, опубликовано 27.08.2008 Бюл. №24).
Признаки известного устройства, общие с признаками заявленного технического решения, заключаются в наличии узлов подачи и отвода воды, а также источника ультрафиолетового излучения с защитным чехлом из материала, прозрачного для ультрафиолетовых лучей, характеризующегося возможностью создания вокруг него в процессе его работы зоны эффективной стерилизации.
Причина, препятствующая получению в известном устройстве технического результата, который обеспечивается заявленным техническим решением, заключается, во-первых, в существенной ограниченности объема рабочего пространства корпуса, вследствие чего корпус не может выполнить функцию гидроаккумулятора, необходимую для обеспечения бесперебойного снабжения водой, во-вторых, рабочее пространство корпуса имеет проходное сечение, практически не превышающее (а если превышающее, то незначительно) проходные сечения узлов подачи и отвода воды, вследствие чего скорость движение потока воды в рабочем пространстве корпуса практически не снижается относительно скорости в узлах подачи и отвода, что не увеличивает время ультрафиолетового облучения проходящей через рабочее пространство корпуса воды и, соответственно, не повышает эффективность стерилизации, в-третьих, поток в пространстве между трубами искусственно турбулизируется завихрителем и ультразвуком, что значительно усложняет конструкцию и снижает ее надежность.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное для патентования техническое решение, заключается в необходимости обеспечения непрерывности водоснабжения, в повышении производительности водоснабжения, в повышении эффективности стерилизации воды при умеренных затратах электроэнергии, обеспечивающей работу источника ультрафиолетового излучения. Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, опосредствующий решение указанной технической проблемы, заключается в функциональном разделении рабочего потока на три последовательных участка потока с соответствующими переходами: входной узкий участок потока, переход в средний широкий участок потока с соответствующим расширением потока; средний широкий участок потока, выполняющий функцию гравитационного гидроаккумулятора, переход в выходной узкий участок потока с внезапным сужением потока; выходной узкий участок потока. При этом наличие среднего широкого участка потока и указанных переходов между участками потока обусловливает следующие свойства, интегрально составляющие технический результат: 1) средний широкий участок потока осуществляет аккумулирование (резервирование) определенного объема воды, что повышает непрерывность водоснабжения, 2) средний широкий участок потока обусловливает существенное снижение скорости движения воды в пределах этого участка (при сохранении исходного расхода) благодаря эффекту расширения потока воды при его переходе из входного узкого участка потока в средний широкий участок потока (известный в гидравлике закон неразрывности потока), что существенно увеличивает время нахождения воды в зоне эффективной стерилизации, 3) дальнейшее внезапное сужение потока воды при его переходе из среднего широкого участка потока в выходной узкий участок потока (при сохранении исходного расхода), что в соответствие с законами гидродинамики обусловливает значительную турбулентность потока и возникновение вихрей потока в конце среднего широкого участка потока, где при этом установлен источник ультрафиолетового излучения, характеризующийся наличием вокруг него в процессе его работы зоны эффективной стерилизации, пересекающейся с зоной повышенной турбулентности и завихрений, что дополнительно существенно увеличивает время ультрафиолетовой обработки воды в указанной зоне без снижения производительности водоснабжения, 4) возможность исключения из конструкции конструктивных элементов, искусственно создающих турбулентность (завихритель, источники ультразвука), так как необходимая турбулентность в зоне эффективной стерилизации обеспечивается естественным образом, т.е. за счет эффекта внезапного сужения потока.
Достигается технический результат тем, что реактор для ультрафиолетовой динамической стерилизации воды содержит входной и выходной патрубки, источник ультрафиолетового излучения, характеризующийся возможностью создания вокруг него в процессе его работы зоны эффективной стерилизации, гравитационный гидроаккумулятор, в котором расположен источник ультрафиолетового излучения, при этом объем гравитационного  гидроаккумулятора превышает объем упомянутой зоны эффективной стерилизации, а указанные патрубки присоединены к гравитационному гидроаккумулятору, так что в днище гравитационного гидроаккумулятора установлен выходной патрубок, входное отверстие которого расположено в зоне эффективной стерилизации, при этом проходное сечение гравитационного гидроаккумулятора больше проходного сечения каждого патрубка, а днище гравитационного гидроаккумулятора выполнено с не превышающем 10% воронкообразным уклоном к входному отверстию выходного парубка и с возможностью обеспечения эффекта внезапного сужения рабочего потока воды при ее истечении из гравитационного гидроаккумулятора через выходной патрубок.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведено схематическое изображение реактора в вертикальном сечении (вариант с горизонтально ориентированным источником ультрафиолетового излучения); на фиг. 2 то же (вариант с вертикально ориентированным источником ультрафиолетового излучения); на фиг. 3 - схематическое изображение днища гравитационного гидроаккумулятора, выполненного с воронкообразным уклоном. Осуществление полезной модели
Реактор для ультрафиолетовой динамической стерилизации воды содержит гравитационный гидроаккумулятор 1 (водонапорная башня) с днищем 2, входным 3 и выходным 4 патрубками, а также установленный в гравитационном гидроаккумуляторе 1 горизонтально (фиг. 1) или вертикально (фиг. 2) источник ультрафиолетового излучения 5, представляющий собой ультрафиолетовую лампу в защитном чехле из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения.
Наличие гравитационного гидроаккумулятора 1 разделяет единый рабочий поток воды, подлежащей ультрафиолетовой динамической стерилизацииводы в данном реакторе, на три последовательных участка этого потока:
1) входной узкий участок потока (входной патрубок 3 и присоединенный к нему внешний трубопровод),
2) средний широкий участок потока (гравитационный гидроаккумулятор 1),
3) выходной узкий участок потока (выходной патрубок 4 и присоединенный к нему внешний трубопровод).
При этом источник 5, расположенный в гравитационном гидроаккумуляторе 1 в области его днища 2, характеризуется наличием вокруг этого источника в процессе его работы зоны эффективной стерилизации 6, прямо зависящей от мощности ультрафиолетовой лампы.
Гравитационный гидроаккумулятор 1 выполнен, например, в виде вертикально ориентированного прямого кругового цилиндра или в виде прямоугольного параллелепипеда, так что объем гравитационного гидроаккумулятора 1 превышает (лучше: значительно превышает) объем зоны эффективной стерилизации 6. Данное превышение выражает условие создания в гравитационном гидроаккумуляторе 1 необходимого и достаточного резерва воды, предназначенного для обеспечения бесперебойного водоснабжения в течение определенного периода времени при временном прекращении подачи воды через патрубок 3.
Входной патрубок 3 установлен либо в боковой стенке гравитационного гидроаккумулятора 1, как показано на фиг.1, 2, либо в его крышке (не показано). Выходной патрубок 4 в любом варианте установлен в днище 2 гравитационного гидроаккумулятора 1.
Днище 2 выполнено с возможностью обеспечения эффекта внезапного сужения рабочего потока воды при ее истечении через выходной патрубок 4. Для этого необходимо выполнение двух условий. Во-первых, днище 2 должно быть либо плоским и горизонтальным, так что выходной патрубок 4 (его ось) расположен перпендикулярно плоскости днища 2, как показано на фиг.1, 2, либо с небольшим воронкообразным уклоном к выходному патрубку 4 (в пределах 10%), как показано на фиг.3, при котором гидродинамика процесса истечения практически не меняется относительно плоского днища. Во-вторых, условный диаметр днища 2 (иначе: диаметр проходного сечения гравитационного гидроаккумулятора 1) должен быть больше (точнее, много больше, по крайней мере, как минимум в 10 раз) условного внутреннего диаметра выходного патрубка 4. Только при этих двух условиях вертикальные линии ламинарного тока воды в гравитационном гидроаккумуляторе 1 (движение сверху вниз под действием силы тяжести), сталкиваясь с днищем 2, резко поворачивают (на 90°, если плоскость, и максимум на 100°, если воронкообразный уклон) в сторону выходного патрубка 4, создавая искомый эффект внезапного сужения потока в области днища 2, являющийся эффективным средством создания турбулентности и завихрений этого потока в области этого днища. При этом источник ультрафиолетового излучения 5 установлен в гравитационном гидроаккумуляторе 1 горизонтально или вертикально, но непременно в области днища 2 в непосредственной близости к входному отверстию выходного патрубка 4, так что длина перпендикуляра, опущенного от этого входного отверстия на источник ультрафиолетового излучения 5, не превышает 15 см. Более точно данное условие заключается в том, что указанное входное отверстие выходного патрубка 4 находится в зоне эффективной стерилизации 6, что гарантирует сосредоточение излучения максимальной интенсивности именно на максимально турбулентном объеме воды в области днища 2. При этом указанная зона 6 представляет собой условный цилиндр (т.е. условный цилиндр зоны эффективной стерилизации), по оси которого расположен источник 5. Эта зона (диаметр указанного условного цилиндра) в значительной мере зависит от мощности источника 5: увеличение мощности источника 5 увеличивает диаметр данного условного цилиндра, т.е. увеличивает объем зоны 6. Однако диаметр данного условного цилиндра также зависит от скорости движения воды, степени турбулентности этого движения, времени нахождения каждого фиксированного объема воды под действием ультрафиолета, оптических свойств воды, вида патогенных микроорганизмов, на которые направлена искомая стерилизация. По этой причине на практике зона 6 определяется приблизительно, а источник 5 располагают так, чтобы входное отверстие выходного патрубка 4 находилось в зоне 6 с учетом погрешности определения диаметра указанного условного цилиндра зоны эффективной стерилизации 6.
Работа реактора для ультрафиолетовой динамической стерилизации воды заключается в следующем.
Предварительно очищенная от механических примесей вода (возможно и от химических примесей) через входной патрубок 3 (входной узкий участок потока) поступает в гравитационный гидроаккумулятор 1 (средний широкий участок потока), в котором вода под действием гравитационных сил движется вниз и истекает из гравитационного гидроаккумулятора 1 через выходной патрубок 4 (выходной узкий участок потока). При этом проходные сечения патрубков 3 и 4 являются одинаковыми, а проходное сечение гравитационного гидроаккумулятора 1 как минимум в десять раз превышает проходное сечение каждого патрубка. Поступление воды в гравитационный гидроаккумулятор 1 и истечение воды из него регулируется соответствующими клапанами (не показаны), а уровень воды в гравитационном гидроаккумуляторе 1 контролируется соответствующими датчиками (не показаны).
Первоначально осуществляют заполнение гравитационного гидроаккумулятора 1 водой, после чего реактор переходит в стационарный режим непрерывного поступления воды в гравитационный гидроаккумулятор 1 и непрерывного истечения этой воды из него. При этом движение воды по патрубкам 3 и 4 и соответствующим внешним трубам, подсоединенным к этим патрубкам (внешние трубы не показаны), происходит с одинаковой скоростью по причине их равных проходных сечений (входной узкий и выходной узкий участки потока). Эта скорость обеспечивает расход воды, например, 10 литров в минуту. Однако вода, зайдя через патрубок 3 в гравитационный гидроаккумулятор 1 (средний широкий участок потока), в соответствие с законом неразрывности потока существенно теряет скорость движения внутри гравитационного гидроаккумулятора 1, так как проходное сечение последнего существенно превышает проходное сечение любого патрубка. Так, например, если проходное сечение гравитационного гидроаккумулятора 1 превышает проходное сечение патрубка в 10 раз, то соответственно скорость движения воды внутри гравитационного гидроаккумулятора 1 снижается в 10 раз по сравнению со скоростью движения воды в патрубках и присоединенных к ним внешних трубопроводах. Такое замедление скорости движения воды в гравитационном гидроаккумуляторе 1, обусловленное действие закона неразрывности потока, увеличивает время нахождения воды вблизи выходного патрубка 4, т.е. в зоне эффективной стерилизации 6, и тем самым способствует ее более эффективной стерилизации за счет продолжительности этой стерилизации. Кроме того, по причине упомянутого превышения проходного сечения гравитационного гидроаккумулятора 1 и выполнения днища 2 плоской (или близкой к плоской) формы, вертикальные линии тока воды внутри гравитационного гидроаккумулятора 1, подходя к днищу 2, вынуждены резко поворачивать (на 90°-100°) в сторону выходного патрубка 4, создавая тем самым известный в гидравлике эффект внезапного сужения рабочего потока. Данный эффект создает турбулентность потока в зоне эффективной стерилизации 6, а также создает вихри (водовороты), что дополнительно и существенно увеличивает время нахождения воды в зоне эффективной стерилизации 6 и, соответственно повышает эффективность стерилизации при относительно небольшой мощности источника ультрафиолетового излучения 5 (40-50 Вт).
Возможность такого уменьшения мощности источника 5 при одновременном существенном повышении эффективности стерилизации обусловлено тем, что действие источника 5 максимально сосредоточено на зоне 6, в которой вода движется с существенно пониженной скоростью и при этом хаотично и с водоворотами. Именно эти факторы (низкая скорость, хаотичность, наличие водоворотов), взятые в весьма ограниченном объеме зоны 6, много меньшей относительно объема гидроаккумулятора 1, и дают возможность снизить мощность источника 5 за счет сосредоточения этой мощности на зоне 6, так что источник 5 при этом фактически не распространяет свое действие, связанное с упомянутой эффективной стерилизацией, на воду, находящуюся в каждый момент времени за пределами зоны 6. А поскольку зона 6 гарантированно покрывает входное отверстие выходного патрубка 4, постольку потребитель воды на выходе патрубка 4 гарантированно получает воду исключительно стерильного качества.