УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/64 

Изобретение относится к области очистки воды и сточных вод и может быть использовано для очистки воды от гидроокислов элементов.

Уровень техники известен из устройства (а.с. СССР, N 1555302, кл. C 02 F 1/64, 1990) для очистки питьевых и сточных вод, содержащего трубопроводы подачи и отвода очищаемой жидкости и средства для создания кавитации в жидкости, последние выполнены в виде герметичной камеры, устройство снабжено вакуумным насосом и приводным клапаном для периодического повышения давления в камере газами-окислителями, при этом вакуумный насос соединен трубопроводом с верхней частью герметичной камеры, а приводной клапан соединен трубопроводом с нижней частью герметичной камеры.

Недостатком данного устройства является низкая производительность и надежность конструкции.

Низкая производительность обусловлена тем, что процесс носит циклический характер: предварительно камера заполняется очищаемой жидкостью с образованием над ней свободного пространства. Далее включается вакуумный насос, отсасывающий воздух из свободного пространства камеры и обеспечивающий выделение в жидкости кавитационных пузырьков. После этого в жидкость камеры подается кислород и жидкость насыщается им с повышением давления. В результате происходит схлопывание пузырьков и, соответственно, очищение жидкости. После этого давление в камере восстанавливается и производится слив очищенной жидкости. Далее процесс повторяется. Наличие насоса, приводных и обратных клапанов, герметичной камеры для жидкости и герметизированных емкостей для хранения сжатого кислорода усложняет конструкцию устройства и тем самым снижает его надежность.

Избыток воздуха в жидкости при ее дальнейшей транспортировке по металлическим трубопроводам может привести снова к насыщению жидкости "железом" из стенок трубопровода в процессе окислительной реакции.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство по а.с. СССР N 1502481, кл. C 02 F 1/64, 1989.

Устройство для очистки воды от железа содержит цилиндрический корпус с подающими и отводящими патрубками, фильтрующую загрузку и средство для насыщения воды воздухом, которое выполнено в виде кавитатора, представляющего собой цилиндр, установленный над загрузкой с зазором к стенкам корпуса и вибратор, присоединенный к цилиндру посредством штока.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность и производительность, а также надежность конструкции.

Низкая производительность обусловлена тем, что процесс очистки носит циклический характер. Предварительно корпус заполняется исходной жидкостью, далее включается вибратор, при помощи которого двухвалентное железо, растворенное в жидкости превращается в трехвалентное железо (гидроокись железа). После этого гидроокись железа отделяется фильтрованием и жидкость отводится на дальнейшую обработку.

После регенерации загрузочного материала гидроцикл повторяется.

На низкую производительность влияет и необходимость в создании камер ограниченных объемов, так как кавитатор не должен быть больших размеров из-за большой инерционности перемещаемой массы при больших ускорениях (большие ускорения обеспечивают большие частоты колебаний).

Для создания колебаний устройство имеет дополнительные элементы в виде вибратора и соединенного с ним при помощи штока кавитатора. Сам вибратор установлен на платформе, последняя соединяется с корпусом при помощи пружин. Это также усложняет конструкцию. Кроме того, система совершает колебания, то есть она подвижна и это, по совокупности, снижает надежность устройства в работе.

Низкая эффективность обусловлена тем, что интенсивно процесс обработки жидкости осуществляется только вблизи кавитатора.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: корпус, подводящие и отводящие патрубки, фильтрующая загрузка, средство для насыщения воды воздухом.

Причиной, препятствующей получению в прототипе требуемого технического результата, является циклическая работа устройства, что обуславливает его низкую производительность.

Наличие дополнительных подвижных элементов вибратора, платформы, соединенной с корпусом при помощи пружин, усложняет конструкцию устройства, тем самым снижается надежность его в работе.

Сущность изобретения заключается в следующем. Изобретение направлено на создание непрерывного процесса глубокой очистки питьевой воды от гидроокислов металлов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения заключается в повышении производительности и степени очистки воды.

Ограничительные признаки: корпус, подающие и отводящие патрубки, фильтрующая загрузка, средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости.

Отличительные признаки: средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости, выполнено в виде вихревой камеры с насадком или набора из двух и более вихревых камер с насадками. Насадок выполняется со скошенным срезом на выходе, внутренняя цилиндрическая поверхность и внутренние торцевые стенки вихревой камеры выполняются ребристыми, вихревые камеры располагаются или на одной платформе, при этом закрутка во всех вихревых камерах осуществляется в одну сторону, или попарно навстречу друг другу, при этом закрутка в вихревых камерах каждой пары осуществляется в разные стороны.

Причинно-следственная связь заключается в том, что жидкость интенсивно закручивается в вихревой камере, в результате в приосевой зоне вихревой камеры формируется область пониженного давления. Когда это давление становится меньше, чем давление в жидкости, находящейся в корпусе, жидкость из корпуса устремляется в приосевую зону и восстанавливает давление. Далее за счет закрутки давление в приосевой зоне снова снижается и колебательный процесс повторяется. В результате на выходе из насадка формируется приосевая тороидальная зона (рециркуляционная зона) обратных токов, которая в своем объеме генерирует широкий спектр, от низких до высоких, пульсаций давлений и скоростей. В результате в фазе локальных понижений давлений происходит выделение в жидкости кавитационных пузырьков. В фазе локальных повышений давления происходит мгновенное схлопывание пузырьков, которое сопровождается возникновением ударных струй высокой интенсивности ( с местным давлением 10.10 атм) и высокими местными температурами (2000.3000 ^o C).

Вследствие высоких ударных давлений при схлопывании, выделенный из жидкости кислород интенсивно реагирует с гидроксилами элементов железа, марганца и других, растворенных в жидкости, переводя их в осадок.

Наличие среза на выходе из насадка обуславливает асимметрию выхода закрученной жидкости из последнего, что дополнительно усиливает пульсации давления и скорости за счет прецессии вихря.

Наличие ребристой поверхности внутри вихревой камеры формирует срывные течения жидкости с интенсивным образованием локальных вихрей в местах срыва. Локальные вихри в своих приосевых зонах имеют пониженное давление, что приводит к дополнительному интенсивному выделению в них растворенного воздуха. Ввиду малой плотности воздух под действием перепада давления в радиальном направлении выводится в приосевую область вихревой камеры и далее в жидкость, заполняющую объем корпуса.

В результате пузырьки воздуха, проходя через закрученный слой жидкости уже внутри вихревых камер, вступают в реакцию с гидроксилами элементов, растворенных в жидкости, и переводят их в осадок.

Срывные течения внутри вихревой камеры создают интенсивные колебания скорости и давления, что интенсифицируют окислительный процесс.

Набор двух и более вихревых камер, установленных на общей платформе при односторонней закрутке во всех вихревых камерах обеспечивает взаимодействие закрученных струй между собой при их выходе из насадков. В этом случае окружности скорости взаимодействующих между собой струй на участках их контактов всегда противоположно направлены. Это приводит к их взаимному торможению и, соответственно, интенсификации колебательного процесса в жидкости. Это, в свою очередь, способствует дополнительной интенсификации процессов кавитации в жидкости и, соответственно, интенсификации процесса выделения растворенного воздуха из жидкости, что сопровождается усилением процесса выделения в осадок гидроокислов элементов, растворенных в жидкости.

В случае установки вихревых камер попарно, навстречу друг другу, при закрутке в них жидкости в противоположные стороны на участках их контактов при выходе из насадков окружные скорости также направлены в противоположные стороны. В результате возникают те же эффекты, что и в предыдущем случае. Однако в данном случае эффективность процесса возрастает также и за счет того, что и осевые составляющие скорости струй направлены навстречу друг другу под углом, определяемым углом среза выхода насадка, что создает эффект дополнительного торможения. Кроме того, контакт струй осуществляется по всей окружности взаимодействия.

Использование вихревых камер приводит к интенсификации колебательных процессов в жидкости, более эффективному выделению гидроксилов растворенных металлов в осадок, обеспечивает непрерывную подачу обработанной в вихревых камерах жидкости в корпус устройства, где завершается окислительный процесс. В результате за счет непрерывной подачи повышается производительность очистки, а за счет интенсивного выделения воздуха как внутри вихревых камер, так и в объеме жидкости в корпусе устройства обеспечивается более глубокая степень очистки жидкости.

Отсутствие подвижных частей существенно упрощает конструкцию и, соответственно, повышает ее надежность.

Требование интенсивной закрутки определяется тем, что эффекты возникновения возвратных течений с образованием значительных колебаний скоростей и давлений возможны при значении параметра S

и они возрастают с ростом S [1]
Здесь vψ_max, vz_max -максимальные окружная и осевая скорости на выходе из насадка или вихревой камеры.

Используя теорию форсунки [2] запишем соотношение, устанавливающее связь между геометрическим параметром вихревой камеры.

и параметром

в виде
2A²-A•γ(4+γ²)+2γ²= 0.
Здесь S_с площадь выходного сечения насадка;
S_вх- площадь входных тангенциальных каналов:
r_к радиус вихревой камеры;
r_с радиус выходного сечения насадка.

Устремляя S _→ ∞ и решая полученное уравнение относительно A, получим
A₁ ≈0,5;
A₂ ≈7,5.

Данная зависимость определяет геометрию вихревой камеры с наибольшими значениями интенсивности закрутки.

Первое значение корня A₁ ≈ 0,5 не имеет физического смысла, так как оно соответствует условию

Поэтому геометрия вихревых камер, обеспечивающих максимальные значения интенсивности закрутки S, подчиняется условию

Здесь S_в площадь выходной части насадка, занятой воздушным вихрем или возвратным течением. Полученная зависимость определяет геометрию вихревой камеры с наибольшими значениями интенсивности закрутки.

На фиг.1 представлены общий вид устройства для очистки питьевой воды; на фиг. 2 варианты расположения вихревых камер на общей платформе; на фиг.3 - вариант расположения вихревых камер попарно навстречу друг другу.

Устройство содержит корпус 1, вихревую камеру с насадком (кавитатор) 2, фильтрующую загрузку 3, патрубок для подвода исходной жидкости 4, патрубок для отвода очищенной жидкости 5, патрубки для подвода и отвода промывной жидкости 6 и 7, патрубок для отвода газа 8.

Устройство работает следующим образом. Жидкость через патрубок 4, выполненный в виде тангенциального канала, подводится в вихревую камеру 2 и закручивается в ней. В местах оребрения, как возле плохообтекаемых тел, формируются срывные зоны с образованием областей с пониженным давлением. В результате из жидкости выделяются пузырьки воздуха, которые в силу своей малой плотности под действием градиента давления в радиальном направлении начинают перемещаться из периферии закрученного потока в приосевую зону и вступают в процессе своего перемещения в реакцию с гидроксилами растворенных в жидкости элементов, переводя их в осадок.

За счет взрывного течения на оребрении в жидкости генерируется широкий спектр колебаний скоростей и давлений, который порождает пульсирующие кавитационные пузырьки. В области повышенного давления кавитационные пузырьки схлопываются, возникают микровзрывы, что приводит к существенной интенсификации окислительных процессов в жидкости.

Далее жидкость из вихревой камеры через насадок попадает в объем жидкости в корпусе 1.

За счет интенсивной закрутки вблизи насадка формируется зона обратных тороидальных токов, которая в свою очередь генерирует в объеме жидкости спектр колебаний, порождающий в жидкости эффект кавитации. Это приводит к интенсивному выделению воздуха из жидкости, который дополнительно интенсифицирует окислительный процесс в жидкости. Наличие среза у сопла интенсифицирует процессы нестационарных колебаний.

Далее осажденные гидроокиси металлов отделяются фильтрованием через зернистую загрузку 3, а освобожденная от них вода отводится через патрубок 5. По мере необходимости загрузочный материал подвергается регенерации подачей исходной воды через патрубок 6 и отводится через патрубок 7.

Использование: для очистки воды и сточных вод и, в частности, для очистки воды от железа. Сущность изобретения: средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости, выполнено в виде вихревой камеры с насадком, обеспечивающим закрутку, с образованием приосевой зоны обратных токов. Насадок выполняется со скошенным срезом на выходе, а внутренняя цилиндрическая поверхность и внутренние торцевые стенки выполняются ребристыми. Вихревые камеры устанавливаются либо в виде набора из двух или более камер на общей платформе, при этом закрутка во всех вихревых камерах осуществляется в одну сторону, либо попарно навстречу друг другу, при этом закрутка в вихревых камерах каждой пары осуществляется в разные стороны, 2 з..п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для очистки питьевой воды, содержащее корпус с подающими и отводящими патрубками, фильтрующую загрузку и средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости, отличающееся тем, что средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости, выполнено в виде вихревой камеры с насадком, установленной над загрузкой, при этом насадок выполнен со скошенным срезом на выходе, а внутренняя цилиндрическая поверхность и внутренние торцевые стенки вихревой камеры выполнены ребристыми. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости, выполнено в виде набора из двух и более вихревых камер с насадками, установленными на общей платформе, при этом закрутка во всех вихревых камерах осуществляется в одну сторону по часовой или против часовой стрелки. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для насыщения воды воздухом, растворенным в жидкости, выполнено в виде вихревых камер, установленных попарно навстречу одна другой, при этом закрутка в вихревых камерах каждой пары осуществляется в разные стороны.