УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК C02F1/32 

Изобретение относится к устройствам для стерилизации жидкостей и гелей излучением оптического диапазона, включая ультрафиолетовое (УФ) излучение, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

Известно устройство для лазерной дезинфекции текучих веществ, содержащее контейнер для воды, внутри которого размещено устройство для регулирования проходного сечения потока воды, движущегося от входа контейнера к выходу. Поперек этого потока пропускают луч импульсного газового лазера УФ-диапазона. Ширина луча лазера равна поперечному сечению потока воды (1).

Известно устройство для стерилизации воды, включающее УФ-лампу с отражателем и проточную кварцевую трубку, выполненную по спирали, коаксиально которой размещена УФ-лампа, при этом шаг витков спирали превышает максимальный внутренний диаметр трубки не менее, чем в 1,6 раза, а средний диаметр спирали определяется соотношением:

где d - максимальный внутренний диаметр трубки,
t и L - соответственно шаг витков и длина спирали (2).

Недостатком устройств (1, 2) является малая производительность, связанная с небольшой пропускной способностью аппаратов.

Известно устройство для стерилизации жидкости, содержащее вертикально расположенную цилиндрическую камеру с патрубками для подвода и отвода жидкой среды и бактерицидную УФ-лампу, коаксиально установленную в корпусе, датчик давления, размещенный в верхней части цилиндрической полости корпуса, и насос с приводом, при этом корпус аппарата выполнен в виде колокола, патрубки для подвода и отвода воды расположены ниже датчика и разнесены по высоте один относительно другого, а насос функционально соединен с датчиком давления (3).

Недостатком устройства по (3) является малая производительность, связанная с малой удельной мощностью УФ-лампы.

В качестве прототипа выбрано последнее техническое решение как наиболее близкое по своей технической сущности.

Задачей изобретения является создание устройства для стерилизации жидкости, в частности, питьевой воды с большей производительностью.

Новый технический результат выражается в повышении производительности очистки жидкости от микроорганизмов (бактерий, вирусов) и паразитов (цисты лямбий и др.) без применения дезинфектантов при высокой эффективности и качестве очистки.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным аппаратом для стерилизации жидкости, содержащим вертикально расположенную цилиндрическую камеру с патрубками для подвода и отвода жидкой среды, источник УФ-излучения, коаксиально установленный в камере, пульт управления, датчик и насос с приводом, при этом патрубки для подвода и отвода жидкости разнесены по высоте один относительно другого и находятся ниже датчика, датчик размещен в верхней части цилиндрической полости камеры и функционально связан с пультом управления, новым является то, что внутренняя поверхность камеры выполнена с высоким коэффициентом отражения для излучения источника, источник УФ-излучения содержит коаксиальный импульсный газоразрядный излучатель и конденсаторный источник питания, диаметр камеры выбран из соотношения
D_к = D_и + 2l (1),
где D_к - внутренний диаметр камеры;
D_и - внешний диаметр излучателя;
l - расчетное или экспериментально подобранное значение пробега излучения в обрабатываемой жидкости,
при котором достигается эффект обеззараживания, при этом цилиндрическая камера расположена горизонтально, входной и выходной патрубки расположены под прямым углом к оси камеры по одной вертикали, причем входной и выходной патрубки выполнены с сечениями, удлиняющимися от подводящей и отводящей жидкость труб до размера, совпадающего с длиной облучаемой части камеры, а ширина сечения патрубков на выходе входного и на выходе выходного выполнена не более значения Δ < D_к - D_и (2), причем площади нормальных к оси сечений входного и выходного патрубков на всей их длине выполнены одинаковыми и равными площади нормального сечения подводящей и отводящей жидкость труб, датчик давления (или уровня) размещен во входном сечении выходного патрубка, при этом конденсаторный источник питания выполнен многосекционным с числом секций, определяемым из соотношения n = N/N₂ (3), где N - число импульсов в минуту, обеспечивающее необходимую производительность и нужное количество очистки; N₁ - максимально допустимое число импульсов в минуту для выбранного типа конденсаторов, входящих в накопитель энергии, причем устройство снабжено переключателем секций накопителя энергии на излучатель.

Расположение цилиндрической камеры горизонтально, входного и выходного патрубков под прямым углом к оси и по одной вертикали, а зазора между камерой и лампой - согласно соотношению (1) обеспечивает поступление воды постоянным потоком. Вода равномерно обтекает всю поверхность излучателя, заполняя полость между излучателем и внутренней поверхностью камеры, что обеспечивает однородность обработки оптическим излучением всего объема жидкости, проходящей камеру.

Выполнение источника УФ-излучения импульсным обеспечивает более высокую общую и удельную (на 1 см²) импульсную мощность оптического излучения, воздействующего на очищаемую жидкость. В результате этого жидкость дополнительно подвергается действию еще ряда факторов, а именно, кратковременное действие мощного оптического излучения приводит к быстрому неравномерному по объему разогреву микроорганизмов, обеспечивая в них: - повышение температуры до значений, вызывающих свертывание белка; - образование кратковременных волн термомеханических напряжений, приводящих к деформации и разрывам тканей микроорганизмов вплоть до их дезинтеграции.

Выполнение импульсного источника с коаксиальным излучателем позволяет существенно повысить площадь светящейся поверхности источника, обеспечивая больший объем обрабатываемой в одном импульсе жидкости; обеспечивает большую эффективность использования электрической энергии по сравнению с трубочной конструкцией лампы.

Выполнение входного и выходного патрубков с сечениями, удлиняющимися от подводящей и отводящей жидкость труб до размера, совпадающего с длиной облучаемой части камеры, и шириной сечения на выходе входного патрубка и на входе выходного патрубка согласно соотношению (2) обеспечивает значительно большую по сравнению с прототипом пропускную способность заявляемого устройства.

Выполнение площадей сечения подводящей и отводящей труб и входного и выходного патрубков одинаковыми обеспечивает ламинарность потока жидкости через устройство, что повышает качество очистки.

Выполнение источника питания многосекционным с числом секций, определяемым из соотношения (3), обеспечивает повышение частоты газоразрядных импульсов излучателя.

Допустимое число разрядных импульсов конденсаторов ИК 10-50 N₁ в минуту составляет 5 (т. е. 1 импульс в 12 с). В то же время излучатель способен обеспечить значительно большее количество импульсов в минуту. Выпускаемая промышленностью аппаратура, входящая в состав подобных установок, также способна обеспечить большее количество импульсов в минуту, чем пять. Например, возможно повышение частоты импульсов в 5-6 раз (т.е. время между импульсами можно сократить до 2-3 секунд).

Размещение датчика давления во входном сечении выходного патрубка обеспечивает подачу импульсов излучения только после заполнения камеры водой, что предотвращает риск разрушения излучателя при срабатывании в воздушной среде.

Снабжение устройства переключателем секция накопителя энергии на излучатель по заданной программе обеспечивает равномерную загрузку конденсаторов в пределах допустимой.

При поиске среди известных технических решений указанный технический эффект не выявлен.

На чертеже представлена конструкция заявляемого устройства.

Оно состоит из горизонтально расположенной камеры 1 с отражающим покрытием на внутренней поверхности с входным 2 и выходным 3 патрубками, источника оптического излучения с излучателем 4, размещенным коаксиально в камере, конденсаторного накопителя энергии 5, состоящего из нескольких секций, например, из шести (5.1,..., 5.6), насоса с приводом 6, для подачи воды, системы регулирования подачи воды, содержащей вентили и клапаны 7, пульт управления 8, объединяющий все системы управляющей связью, герметизирующие узлы 9, датчик давления или уровня 10, переключатель секций 11, причем диаметр камеры выбран из соотношения (1), а диаметр источника и его энергообеспечение выбирают в зависимости от необходимой производительности очистки.

В процессе работы описанного устройства с помощью системы 7 включают подачу воды насосом 6 в камеру 1 через входной патрубок 2 и одновременно подачу электроэнергии на конденсаторный накопитель энергии 5 излучателя 4. При достижении водяного потока датчика 10 он срабатывает и подает командный сигнал на пульт управления 8 для подачи импульса электрического тока I_пр, I_обр с первой секции 5.1 накопителя 5 на излучатель 4. При разряде в излучателе создается мощный импульс оптического излучения, которое, выходя из боковой поверхности излучателя, обрабатывает жидкость. Процесс повторяют при разряде с помощью переключателя 11 5.2. 5.3 и т.д. секций накопителя 5. Затем открывают вентиль слива системы 7. Обработанная жидкость выходит через выходной патрубок 3 к потребителю. Таким образом, процесс обработки стерилизуемой жидкости импульсно-периодический, причем обеспечивает превышение числа импульсов над числом смен объемов жидкости в камере (коэффициент перекрытия K > I) для обеспечения гарантированной стерилизации всего объема пропускаемой через камеру жидкости. В случае отказа, например, неподачи импульса излучения, счетчик импульсов подает на пульт команду для прекращения с помощью системы 7 подачи воды в камеру. При подаче воды самотеком - входной патрубок - вверху, а выходной - внизу. При этом насос может не потребоваться.

Дозу энергии поглощенного в очищаемой жидкости импульсного оптического излучения, необходимую для гарантированного уничтожения загрязняющих микроорганизмов, регулируют частотой подаваемых на излучатель электрических импульсов. Например, для очистки от вирусов частота импульсов требуется значительно меньшая, чем для очистки от наиболее стойких к излучению микроорганизмов (цисты лямбий, яйца гельминтов).

Промышленная применимость устройства подтверждена испытаниями по оценке возможности использования в практике хозяйственно-бытового водоснабжения.

При промышленной реализации технологической установки по стерилизации питьевой воды производительностью 1000 м³/сутки очищаемой воды воспользуемся экспериментально определенным значением глубины проникновения широкополосного импульсного оптического излучения l≈5 см. При обработке воды, специально зараженной вирусами, бактериями и паразитами (цисты лямбий, яйца гельминтов) при концентрациях от 10 до 10⁴ ед/литр, установлено, что в 99% случаях достигается 100%-ная очистка при условной концентрации поглощенной энергии оптического излучения ε_у ≈ 1 Дж/см³. Поэтому для стерилизации V = 1000 м³/сутки требуется энергия в излучении ∑ E = ε_у • V = 10⁹ Дж/сутки. Выбираем диаметр коаксиальной лампы D = 25 см, ее длину L = 150 см. Тогда, согласно соотношению (1) диаметр камеры D_к = D_и + 2l = 35 см. Откуда площадь кольцевого сечения между камерой и лампой составляет S_к≈480 см², а площадь диаметрального осевого сечения полости между камерой и лампой составляет S_д = 2l•L = 1500 см². С учетом соотношения (2) площади сечений подводящей и отводящей труб и входного и выходного патрубков составляет S_о ≤ S_д = 1500 см², т.е. пропускная способность при перпендикулярном к оси камеры движении жидкости более, чем в три раза больше, чем при осевом движении. Исходя из значений D_к, D_и и L, объем коаксиальной полости между камерой и лампой равен V_n≈72•10³ см³ = 72 л. С учетом V = 10⁹ см³ при полученном значении V_n суточное число загрузок камеры составляет V/V_n≈1,4•10⁴, учитывая, что в стоках T≈86400 секунд, находим скорость потока жидкости, обеспечивающую необходимую производительность: v = V/T = 10⁹/8,64•10⁴ = 1,16•10⁴ см³/с = 11,6 л/с. Исходя из полученного значения v, находим отрезок времени, за который происходит смена воды в полости, t = V_n/v = 6 с. Учитывая, что на одну загрузку полости V_n требуется E_з = ε_у •V_n = 72•10³ Дж, задаемся значением энергии в одном импульсе E_и≈30 кДж, а числом импульсов на одну загрузку h = 3. Тогда время между импульсами t₀ = t/h = 2 с, число импульсов в минуту N = 60/2 = 30 с. Число секций (см. соотношение (3))

где t_ng = 12 с - минимально допустимое время между импульсами для выбранных конденсаторов ИК 10-50.

При анализах очищенной воды на опытной установке получены однозначно положительные результаты по стерилизации жидких сред, содержащих вирусы, бактерии и паразиты, включая наиболее стойкие (цисты лямбий, яйца гельминтов, сальмонеллы) в широком диапазоне начальных концентраций микроорганизмов (10¹ - 10⁹) ед/литр. Коэффициент перекрытия в этих экспериментах составил K = 3E/V_n = 1,25 Дж/см³. Изменений в физико-химических свойствах очищенной воды не обнаружено. Очищенная вода удовлетворяет ГОСТам. Значение и практическая ценность заявленного устройства обусловлены рядом достоинств:
- высокой степенью очистки от микроорганизмов (не менее, чем на 99,9%);
- возможностью достижения полного обеззараживания (стерилизации) сред без применения дезинфектантов;
- возможностью губительного действия на широкий диапазон микроорганизмов, находящихся в различных формах существования (вегетативной, в капсулах, спорах);
- экономической чистотой;
- отсутствием побочных эффектов воздействия;
- возможностью надежной регистрации факта обеззараживания по данным контроля излучения;
- возможностью оперативного регулирования уровня обеззараживания вод.

Заявляемое устройство обеспечивает практически любую необходимую на практике производительность (вплоть до 10⁴ м³/сутки) в одномодульном варианте, что существенно снижает стоимость, занимаемую площадь, потребляемую мощность, сложность, количество обслуживающего персонала.

Список использованных источников:
1. Патент США (US) N 4816145, опубликовано 28.03.1989 г., Т. 1100, N 4.

2. Авторское свидетельство СССР N 1043112 по заявке N 3443603 (30-15 от 24.05.1982 г. по МКИ C 02 F 1/32, A 01 K 29/00.

3. Авторское свидетельство СССР N 1678769 A1 по заявке N 4753035/26 от 25.10.1989 г. по МКИ C 02 F 1/32.

Сущность изобретения: дозу энергии поглощенного в очищаемой жидкости импульсного оптического излучения регулируют частотой подаваемых на излучатель электрических импульсов 1 ил.

Устройство для стерилизации жидкости, содержащее цилиндрическую камеру с патрубками для подвода и отвода жидкой среды, источник оптического излучения, содержащий излучатель, коаксиально расположенный в камере, датчик, пульт управления, функционально связанный с датчиком, и насос с приводом, при этом патрубки разнесены по высоте один относительно другого, отличающееся тем, что диаметр камеры D_к выбран из соотношения D_к = D_и + 2l, где D_и - диаметр излучателя; l - расчетное или экспериментально подобранное значение пробега излучения в обрабатываемой жидкости, при котором достигается эффект обеззараживания этой жидкости, источник излучения содержит импульсный газоразрядный излучатель и импульсный конденсаторный источник питания, цилиндрическая камера расположена горизонтально, входной и выходной патрубки расположены под прямым углом к оси камеры по одной вертикали, при этом входной и выходной патрубки выполнены с сечениями, удлиняющимися от подводящей и отводящей жидкость труб до размера, совпадающего с длиной облучаемой части камеры, а ширина сечения патрубков на выходе входного патрубка и на входе выходного патрубка выполнена не более (D_к - D_и), причем площади нормальных к оси сечений входного выходного патрубков по всей их длине выполнены одинаковыми и равными площади нормального сечения подводящей и отводящей труб, датчик уровня размещен во входном сечении выходного патрубка, при этом источник питания выполнен многосекционным с числом секций, определяемым из соотношения n = N/N₁, где N - число импульсов в минуту, обеспечивающее необходимую производительность и нужное качество очистки, N₁ - максимально допустимое число импульсов в минуту для выбранного типа конденсаторов, причем устройство снабжено переключателем секций накопителя на импульсный излучатель.