УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
DEVICE FOR WATER DISINFECTION

Изобретение относится к устройствам для кавитационного обеззараживания природных и сточных вод без применения химических реагентов, таких как хлор, фтор, озон, и может найти применение при подготовке воды в системах хозяйственно-питьевого и промышленного назначения, а также для обеззараживания канализационных стоков предприятий в мясной и молочной промышленности и других объектов сельскохозяйственного назначения.
Известен способ обработки воды и водных растворов (патент России № 2240984, C02F 1/66, от 27.11.2004), включающий корректировку рН воды многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается. При этом рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию. Из оставшегося рециркуляционного потока отбирают кавитируемую жидкость с повышением давления. Далее жидкость охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления. В известном патенте также описывается используемое устройство. Для повышения процесса кавитации, создаваемого соплом Вентури или в центре закругленного жидкостного потока, он может быть усилен ультразвуком или электрическим плазменным разрядом.
Недостатками известного решения являются:
а) отбор горячей воды для бытовых нужд или для подпитки плавательного бассейна производится до кавитатора, а это значит, что вода просто нагрета и пропущена через фильтр без кавитационного обеззараживания;
б) необходимость предварительного нагрева исходной жидкости до 90°С, что связано с большими энергозатратами;
в) применение в качестве кавитатора сопла Вентури или закрученного потока с образованием в центре зоны пониженного давления требует многократных проходов жидкости через кавитатор;
3
г) применение в качестве дополнительного средства воздействия на микроорганизмы ультразвука или электрического плазменного разряда, что резко повышает удельные энергозатраты на обеззараживание 1 м жидкости, требует сложного аппаратурного оформления и соблюдения беспрецедентных мер безопасности.
Указанные недостатки устранены в «Технологической линии для обеззараживания сточных и природных вод» по патенту России № 2328450, C02F 1/36, от 10.07.2007. Известная система содержит устройства для обеззараживания воды, каждое из которых включает связанный с насосом кавитатор с закручивающими устройствами, размещенными в корпусе с возможностью создания кавитации.
Недостатком известного устройства является то, что в нем не используется резонансное возбуждение кавитирующих потоков.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для обеззараживания сточных и природных вод с повышенной эффективностью уничтожения вирусов, цист простейших, лямблий и яиц гельминтов гидродинамической кавитацией без применения других источников и методов воздействия на патогенную микрофлору.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности устройства для обеззараживания воды за счет акустического резонансного возбуждения кавитирующих потоков.
Достигается это тем, что в устройстве для обеззараживания воды, включающем связанный с насосом кавитатор с закручивающими устройствами, размещенными в корпусе с возможностью создания кавитации, в его корпусе установлена втулка с восьмью продольными каналами с размещенными в них закручивающими устройствами в виде винтов (винтовых формирователей потока), обеспечивающих закручивание и ускорение потоков, а на выходе из каналов размещена с возможностью возникновения при взаимодействии кавитирующих потоков, колеблющихся с одинаковой частотой, акустического резонансного возбуждения акустическая (пульсационная) камера.
Известно, что кавитацией называется явление парообразования и выделения воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости. Причиной ее возникновения служит кипение жидкости при нормальной температуре и низком давлении. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления (И.Пирсол. «Кавитация», стр.9).
В жизни кавитационного пузырька различаются две фазы - расширение и схлопывание, которые вместе образуют полный термодинамический цикл.
В зоне давления гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил молекулярных связей. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость как бы разрывается, порождая многочисленные мельчайшие пузырьки. Кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость «загрязнена» твердыми частицами или другими инородными телами (например, бактериями), чем выше ее температура или чем больше в ней растворено газов. Кавитационное «кипение» жидкости обусловлено тем, что на поверхностях этих частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации.
Бактериальная флора, находящаяся в обрабатываемой жидкости, также служит центрами образования кавитационных пузырьков. При попадании жидкости в зону пониженного давления жидкость вскипает, а у бактерий, оказывающихся в центре или рядом с образовавшимся кавитационным пузырьком, под действием разности давлений внутри них и окружающем пространстве происходит полное или частичное разрушение клеточной оболочки.
4
2
Вторая фаза жизни квитационного пузырька - схлопывание (конденсация), происходит в зоне повышенного давления, куда он перемещается вместе с обрабатываемой жидкостью. Процесс конденсации кавитационного пузырька происходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырек, перемещаются к его центру с большой скоростью. В результате кинетическая энергия содержащихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся местным повышением давления до 10 кг/см и локальным повышением температуры до 1000-1500°С. В условиях протекания гидродинамической кавитации при высоких скоростях рабочих органов внутри кавитаторов 28-33 м/с большая часть кавитационных пузырьков деформирована и имеет эллипсообразную или коническую форму. При схлопывании подобных пузырьков возникает высокоэнергичные кумулятивные струйки, которые разрушают все, что оказывается на их пути. Схлопывание отдельного кавитационного пузырька не дает ожидаемого эффекта, но кавитационных пузырьков много и «схопывается» их много тысяч в секунду, поэтому в совокупности они способны оказать значительное разрушающее или иное действие без высокотемпературного нагрева обрабатываемой жидкости.
Таким образом, кавитация кроме механического воздействия оказывает на бактериальную флору и микростерилизационное воздействие в условиях ультравысокотемпературного режима в области исчезновения кавитационного пузырька.
Стенки кавитационного пузырька и капельки жидкости, находящиеся внутри него, заряжены разноименным электричеством. При сжатии пузырьков их размеры резко уменьшаются и заряды оказываются расположенными на поверхностях пузырьков очень малых размеров. В результате резкого уменьшения поверхности кавитационных пузырьков резко возрастает напряжение статического электричества. Между стенками кавитационных пузырьков и капельками, находящимися внутри них, проскакивают электрические разряды, напоминающие микроскопические молнии. Эти электрические разряды высокой напряженности также оказывают губительное действие на бактерии, оказавшиеся источником возникновения названных пузырьков.
Высокие температуры и давления, возникающие в точках исчезновения кавитационных пузырьков, а также микромолнии статического электричества способствуют протеканию разложения воды по реакциям:
2
↔
+
-
HOН+(ОН)
2
2
↔
+
2HO(ОН)+Н
+
-
гидроксильные группы (ОН) и (ОН), эмитированные на оболочках кавитационных пузырьков, при конденсации последних образуют перекись водорода по реакциям:
+
-→
2
2
(ОН)+(ОН)HO
-→
-
2
2
2(ОН)HO+2е
-
2
2
2
2
3
Возникновение кавитации на поверхностях бактерий, окруженных адсорбированным воздухом, сопровождается образованием свободных радикалов ОН, НО, N, а также конечных продуктов их рекомбинации HO, HNO, HNO.
Образование перекиси водорода свободных радикалов и кислот также оказывает губительное воздействие на бактериальную флору обрабатываемой жидкости.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена конструкция устройства для обеззараживания воды, на котором:
1 - корпус кавитатора;
2 - втулка;
3 - винтовой формирователь потока;
4 - держатель;
5 - крепежный элемент (винт);
6 - акустическая пульсационная камера.
Жидкость (вода) под давлением Р1 подается во втулку 2 с восьмью продольными каналами с размещенными в них соответственно восьмью винтовыми формирователями потока 3 со скоростью V1. Давление Р1 и скорость V1 обеспечиваются насосом (не показан). Р1 выбрано экспериментально (подбором) и составляет 3,2 атм (процесс кавитации начинается с давления 3 атм). Далее жидкость (вода) огибает держатель 4, входит в продольные каналы винтовых формирователей потока 3, где происходит формирование вихревых (закрученных) потоков жидкости и ускорение их движения за счет сужения диаметра винтовых формирователей потока в сравнении с входным диаметром втулки 2. В каналах винтовых формирователей потока давление Р1 больше Р2, скорость потока V2 много больше V1. На выходе из каналов размещена акустическая (пульсационная) камера 6. В итоге, кавитирующие потоки объединяют в акустической камере 6 с возможностью акустического резонансного возбуждения. При взаимодействии кавитирующих потоков, колеблющихся с одинаковой частотой, возникает акустическое резонансное возбуждение.
Таким образом, за счет акустического резонансного возбуждения кавитирующих потоков обеспечивается повышение эффективности устройства для обеззараживания воды.