Центрифуга

Предлагаемое техническое решение относится к классу отстойных центрифуг, предназначенных для разделения суспензий и эмульсий, очистки жидкостей с одновременным их обеззараживанием и может найти применение в медицине, фармакологической, биохимической, сельскохозяйственной, пищевой промышленности и в экологических процессах очистки и обеззараживания сточных вод.
Известно устройство для обеззараживания воды, содержащее УФ-лампу и, по меньшей мере, один обтекаемый водой, имеющий приток и сток сосуд, в котором расположена реакционная камера, причем сток сосуда образует свободный слив. УФ-лампа и сосуд сообща расположены в картридже, причем картридж содержит, по меньшей мере, крепежные средства для разъемного закрепления на присоединительном устройстве и средства подключения для подвода тока и воды от присоединительного устройства [Патент №2507159, C02F 1/32, 2014].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что пленка жидкости неравномерно стекает по стенке в поле сил тяжести. Это приводит к снижению ее расхода, а значит уменьшению производительности.
Известно устройство для очистки и обеззараживания воды, содержащее корпус, снабженный съёмной крышкой, фильтрующий элемент, входной штуцер, отстойник, установленный в крышке выходной патрубок, установленное в верхней части корпуса кольцо, внешняя поверхность которого контактирует с внутренней поверхностью корпуса, при этом на внутренней поверхности крышки установлены ультрафиолетовые светодиоды, отстойник выполнен в форме полой полусферы, обращённой центром вниз, входной штуцер установлен в центре отстойника, причём отстойник и входной штуцер выполнены съёмными, в корпусе вертикально установлена трубка, соединённая со входным штуцером, на трубке установлен дефлектор, выполненный в форме спирали, причём ось симметрии дефлектора совпадает с осью симметрии трубки, кроме того, в трубке выполнена вертикальная щель длиной, равной длине дефлектора, причем верхний край щели расположен на уровне верхнего края дефлектора, на дефлекторе установлена пластина круглой формы, на нижней поверхности крышки установлены уступы, фильтрующий элемент установлен между кольцом и уступами, а на корпусе установлен дифференциальный манометр, соединённый с внутренней полостью корпуса над верхней и под нижней поверхностями фильтрующего элемента [Патент №144626, C02F 1/32, 2014].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие совмещения центробежной силы и ультрафиолетовой очистки. Это приводит к малой производительности по обеззараживанию в поле сил тяжести.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятым за прототип является фильтрующая центрифуга, содержащая корпус, установленный внутри него ротор, и размещенное внутри ротора кольцо, при этом кольцо жестко закреплено на верхней части корпуса и имеет равномерно перфорированную боковую поверхность, а отношение радиуса кольца к радиусу ротора постоянно по высоте [Патент №88292, B04B 3/00, 2009].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая производительность обеззараживания воды, так как патогеняя флора практически в фильтрате остается без изменения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции центрифуги является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что центрифуга, содержащая корпус, установленный внутри него ротор и размещенное внутри ротора кольцо, жестко закрепленное на верхней части корпуса, причем боковые стенки ротора и кольца имеют сплошную поверхность, кольцевой зазор между боковыми стенками ротора и кольца постоянный по высоте, а на внешней стенке кольца равномерно по высоте закреплены ультрафиолетовые лампы.
Закрепление равномерно по высоте ультрафиолетовых ламп на внешней стенке кольца позволяет более равномерно обеззараживать фугат всеми ультрафиолетовыми лапами, что приводит к повышению степени обеззараживания и производительности по фугату.
Выполнение кольцевого зазора между боковой стенкой ротора и кольца с постоянным значением по высоте позволяет создавать одинаковое по интенсивности излучение от ультрафиолетовых ламп по высоте по внутренней боковой поверхности ротора, что приводит к равенству обеззараживания жидкости с одинаковой нагрузкой на стенке ротора, предотвращает его динамическую разбалансировку, уменьшает время на остановки, ремонт и обслуживание узлов центрифуги, а значит, увеличивает ее производительность.
Сплошная боковая поверхность боковых стенок ротора и кольца обеспечивает одинаковое время пребывания жидкости внутри ротора, больше чем время обеззараживания. Поэтому выходящая очищенная от дисперсных частиц жидкость через верхнюю часть ротора будет полностью обеззаражена. Это также способствует работе центрифуги с большой производительностью.
На чертеже изображена схема общего вида предлагаемой конструкции центрифуги.
Центрифуга состоит из неподвижного корпуса 1 для приема фугата, внутри которого на валу 2 установлен конический ротор 3. Внутри ротора 3 установлена труба 4 для подачи суспензии. Также внутри ротора 3, осесимметрично с ним установлено кольцо 5. Кольцо 5 жестко закреплено на верхней части корпуса 1 стойками 6. В верхней части ротора 3 и кольца 5 с внутренней стороны герметично установлены кольцевые отражатели 7 и 8, чтобы предотвращать перелив неотфильтрованной жидкости из ротора 3 и кольца 5, при этом кольцевой зазор между боковой стенкой ротора 3 и кольца 5 постоянный по высоте, а на внешней стенке кольца 5 равномерно по высоте закреплены ультрафиолетовые лампы 9, соединенные с источником электропитания (на чертеже не показан). Для слива фугата из корпуса 1 в его днище установлен патрубок 10.
Центрифуга работает следующим образом.
При вращении вала 2 с угловой скоростью ω вместе с ним вращается ротор 3. По трубе 4 подают исходную суспензию, которая под действием центробежной силы поднимается по вращающейся стенке ротора 3, образуя слой жидкости в зазоре между стенкой ротора 3 и стенкой кольца 5. Жидкость, находящаяся в зазоре между вращающейся стенкой ротора 3 и стенкой кольца 5, под действием ультрафиолетовых ламп 9 обеззараживается. Очищенный фугат удаляется из корпуса 1 центрифуги по патрубку 10.
Пример расчета.
2
Доза облучения ультрафиолетовой лампы, D = 16 мДж/см.
2
Минимальная интенсивность излучения, E = 6 мВт/см.
[МУ 2.1.4.719-98 Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды].
Среднее время пребывания воды в камере обеззараживания:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mi>E</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>16</mn></mrow><mn>6</mn></mfrac><mo>≈</mo><mn>3</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi></mrow>
3
Производительность центрифуги, Q = 0,0058 м/с = 5,8 л/с.
Радиус ротора центрифуги, R = 0,5 м.
Высота ротора центрифуги, H = 1 м.
,
(1)
где δ – толщина слоя жидкости;
пр
τ – среднее время пребывания воды в центрифуге.
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><mtext> </mtext><mi>c</mi></mrow>
При условии обеззараживания: .
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Q</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,0058</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,0055</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>=</mo><mn>5,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
Из формулы (1): .
<mrow><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mn>10</mn><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><mo>≈</mo><mn>96</mn><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow>
Для очищаемой в центрифуге воды такая толщина пленки обеспечивается при числе оборотов ротора .
Таким образом, закрепление ультрафиолетовых ламп 9 на внешней стенке кольца 5 позволяет одновременно с отделением дисперсной фазы эффективно обеззараживать суспензию, что приводит к повышению качества очищенного фугата и производительности по фугату. Выполнение кольцевого зазора между боковой стенкой ротора 3 и кольца 5 с постоянным значением по высоте позволяет создавать одинаковый световой поток от ультрафиолетовых ламп 9 в любом по высоте ротора сечении, что приводит к равенству обеззараживания жидкости и одинаковой нагрузке на стенке ротора 3, предотвращает его динамическую разбалансировку, уменьшает время на остановки, ремонт и обслуживание узлов центрифуги, а значит, увеличивает ее производительность.