СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к технике обработки и обеззараживания воды от патогенных микроорганизмов и может найти применение в процессах водоподготовки в коммунальных службах при очистке бытовых и промышленных стоков, в биотехнологии, в медицине, в экологии и др.

Известен способ обработки воды и устройство для его реализации [1], при котором обработка воды происходит в электрическом поле трехфазного переменного тока, когда очищаемая вода подается в зазор между электродами.

К недостаткам указанного способа обработки воды и устройства для его реализации относится сложность способа, связанная с необходимостью использования переменного трехфазного тока. Кроме того, способ и устройство имеют низкую эффективность по обеззараживанию воды и не позволяют очистить воду от механических и химических загрязнений.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки воды и устройство для его реализации [2], при котором обработка воды происходит в электрическом поле постоянного тока, когда в воздушный промежуток между анодом и катодом подается вода, аэрированная воздухом.

Устройство, реализующее способ-прототип [2], состоит из корпуса, входного и выходного патрубков, аэратора, электродов анода и катода и источника постоянного напряжения, при этом входной и выходной патрубки соединены с корпусом, аэратор установлен перед входным патрубком и сообщается с ним, электроды установлены внутри корпуса и к ним подключен источник высоковольтного постоянного напряжения.

Недостатком способа-прототипа и устройства-прототипа является то, что способ-прототип и устройство-прототип не позволяют избавиться от солей жесткости в воде, что приводит к необходимости при дальнейшем использовании воды прибегать к защите оборудования и сетей от накипи и коррозии. Дополнительным недостатком способа-прототипа и устройства-прототипа является то, что при их использовании нельзя изменять в широких пределах характеристики воды, например водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал, что ограничивает области применения обработанной воды.

Технической задачей, решаемой в заявляемом способе и устройстве, является повышение эффективности обработки воды и расширение области применения обработанной воды.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ. На фиг.2 представлена электрическая схема коммутатора. На фиг.3 показаны катушки электромагнита в поперечном разрезе и токи, протекающие в этих катушках. На фиг.4 показаны направления токов в катушках и схематическая картина поля для различных моментов времени.

Фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 служат для пояснения сущности изобретения.

Устройство (фиг.1) для обработки воды содержит два идентичных патрубка 1 и 5 с соплами 2 и 6, формирующими рабочую струю, и два идентичных высоковольтных электрода 3 и 7, два идентичных заземленных электрода 4 и 8, два высоковольтных источника постоянного напряжения 9 и 10 с противоположной полярностью напряжения на входе, высоковольтный кабель 11 и 12, два герметичных разъема 13 и 14 высоковольтного кабеля, два электромагнита 15 и 16, два держателя электромагнита 17 и 18, коммутатор напряжения 19, два водосборника 20 и 21, два электромагнитных клапана 22, 23 в водосборниках 20 и 21, два датчика уровня воды в водосборниках 24 и 25. В каждое идентичное сопло введены крышки сопел 26 и 27, датчики уровня воды 28 и 29 в соплах, герметичные разъемы датчиков уровня воды 30 и 31, крепежные детали 32, 33, 34 и 35. При этом патрубки для ввода воды 1 и 5, крышки сопел 26 и 27, сопла 2 и 6 и водосборники 20 и 21 выполнены из инертного материала - капролактама. Каждое из двух идентичных сопел 2 и 6 выполнено в виде цилиндрического тела, в верхней и нижней части которого выполнены две выемки. Верхняя выемка выполнена в виде цилиндров 36 и 37. Полости в нижней части сопел 2 и 6 выполнены в виде сквозных конических воронок 38 и 39, заканчивающихся отверстиями 40 и 41. В верхних торцевых частях сопел 2 и 6 выполнены проточки. В проточки, на торцевой части сопел 2 и 6 проложены уплотняющие резиновые прокладки 42 и 43. Входные патрубки 1 и 5 снабжены электромагнитными затворами 44 и 45. Полости в каждом сопле разделены друг от друга перегородкой, по центральной оси которой выполнено сквозное отверстие. В верхней части перегородки выполнены несквозные отверстия с резьбой. На верхнем торце каждого сопла также имеются несквозные отверстия с резьбой. Патрубки для ввода воды 1 и 5 выполнены в виде цилиндрической трубы. Патрубки 1 и 5 герметично закреплены на крышках сопел 26 и 27 и сообщаются с верхней цилиндрической полостью сопел 2 и 6. Крышка каждого сопла 26 и 27 выполнена в виде цилиндрического диска, в центральной части которой выполнено сквозное отверстие под патрубки 1 и 5 для ввода воды. Другое сквозное отверстие в каждой крышке сопла служит для подвода кабелей 11 и 12 к фланцам высоковольтных электродов 3 и 7 и смещено относительно центра. Каждая крышка сопел 26 и 27 снабжена сквозными отверстиями, совпадающими с несквозными отверстиями с резьбой, расположенными на торцевой части каждого сопла. Диаметр этих отверстий соответствует диаметру крепежных деталей 32 и 33. Высоковольтные электроды 3 и 7 в каждом идентичном сопле выполнены из электропроводного материала. В верхней части высоковольтные электроды 3 и 7 имеют контактный плоский фланец, диаметр которого равен диаметру верхнего цилиндра выемки сопел 2 и 6. Ниже контактного фланца высоковольтные электроды 3 и 7 выполнены в виде конического тела, внутри которого имеется сквозная полость. На боковых стенках высоковольтных электродов имеются сквозные отверстия. Крышки сопел 26 и 27 крепятся к соответствующему соплу при помощи крепежных деталей 32 и 33. Фланец каждого высоковольтного электрода присоединяется крепежными деталями 34 и 35 к перегородке соответствующего сопла. Коническая часть каждого высоковольтного электрода 3 и 7 вводится через сквозное отверстие соответствующей перегородки в нижнюю коническую полость соответствующего сопла. Малые основания усеченной части высоковольтных электродов 3 и 7 выходят в сквозные отверстия нижней выемки сопел 40 и 41. Два других идентичных заземленных электрода 4 и 8 выполнены из проводящего материала в виде плоского диска и каждый из них установлен под днищем соответствующего водосборника 20 и 21. Причем плоскость указанных заземленных электродов 4 и 8 перпендикулярна центральной оси соответствующего рабочего сопла. Корпуса обоих электромагнитов 15 и 16 выполнены идентично в виде цилиндрического тела из магнитного материала, на внутренней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы, внутри которых размещены три одинаковые катушки, соединенные звездой с общей нейтралью. К катушкам электромагнита подключено трехфазное переменное напряжение, со смещением фаз друг относительно друга на 120°. Электромагниты расположены в воздушной среде ниже соответствующего сопла. Причем ось симметрии рабочего сопла является осью симметрии магнитного сердечника. Электромагниты закреплены на держателях магнита 17 и 18, которые механически прикреплены к соответствующим водосборникам 20 и 21. Оба водосборника 20 и 21 выполнены в виде сосуда. На внутренних стенках каждого водосборника на заданной высоте закреплено по датчику уровня воды 24 и 25 в водосборниках. Выходы датчиков уровня воды 24 и 25 в водосборниках соединены с входом коммутатора напряжения 19, который связан с входами высоковольтных источников постоянного напряжения с противоположной полярностью 9 и 10. Датчики уровня воды в водосборниках 24 и 25 закреплены на внутренней поверхности крышек сопел 26 и 27. Выходы этих датчиков через герметичные разъемы 30 и 31, расположенных на крышках сопел 26 и 27, также соединены с входом коммутатора напряжения 19. Источник высоковольтного напряжения с высоковольтным положительным выходом 10 электрически подключен к высоковольтному кабелю 11, который через герметичный высоковольтный разъем 13, расположенный на крышке соответствующего сопла 26, электрически соединен с контактным фланцем высоковольтного электрода 3. Заземленный выход источника высоковольтного напряжения 10 присоединен к заземленному электроду 4. Выход другого источника высокого напряжения с отрицательным высоковольтным потенциалом на выходе 9 электрически подключен к высоковольтному кабелю 12, который через герметичный высоковольтный разъем 14, расположенный на крышке соответствующего сопла 27, электрически соединен с контактным фланцем другого высоковольтного электрода 7. Заземленный выход источника высоковольтного напряжения 9 присоединен к заземленному электроду 8.

Сущность изобретения заключается в следующем. В исходном состоянии обеззараживаемая вода не поступает через патрубки 1 и 5 в сопла 2 и 6. Источники постоянного высоковольтного напряжения 9 и 10 отключены. Электромагнитные клапаны 22, 23, 44 и 45 закрыты. В водосборниках 20 и 21 вода отсутствует. При включении источников постоянного высоковольтного напряжения 9 и 10 срабатывают электромагнитные клапаны 44 и 45, и в патрубки 1 и 5 поступает обрабатываемая вода. При подаче воды в патрубки 1 и 5 и включении источников постоянного высоковольтного напряжения 9 и 10, высоковольтный постоянный потенциал подается на высоковольтные электроды 3 и 7. При этом одновременно подключается питающее напряжение к катушкам электромагнитов 15 и 16. Поскольку на выходе источников постоянного высоковольтного напряжения 9 и 10 потенциалы имеют различные знаки, то и потенциалы на электродах 3 и 7 будут иметь также разные знаки. При этом физические процессы, протекающие в соплах 2 и 6, будут различаться. Рассмотрим эти процессы подробнее. Пусть обеззараживаемая вода через патрубок для ввода воды 5 поступает в сопло 6 и из него во внутреннюю полость высоковольтного полого электрода 7. Для предотвращения вытекания воды из сопел 2 и 6, в проточки, на торцевой части сопел 2 и 6 проложены уплотняющие резиновые прокладки 42 и 43. На фиг.2 позицией 46 обозначен выключатель «католит», позицией 47 обозначен выключатель «анолит», позициями 48 и 49 обозначены источники постоянного напряжения на 12 В.

Вода, поступившая во внутреннюю полость высоковольтного электрода 7 (фиг.1), соприкасается не только с поверхностью этой внутренней полости высоковольтного электрода 7, но и, вытекая из отверстия в боковых стенках высоковольтного электрода 7, с наружной поверхностью этого электрода. Одновременное соприкосновение обрабатываемой воды с внутренней и наружной поверхностью высоковольтного электрода 7 существенно повышает эффективность обеззараживания воды, за счет увеличения площади соприкосновения частей высоковольтного электрода 7 с частицами обрабатываемой воды. При этом, если высоковольтный электрод 7 подключен к отрицательному выходу источника постоянного высоковольтного напряжения 9, то на высоковольтный электрод 7 через высоковольтный кабель 12 подан высоковольтный отрицательный потенциал. Абсолютная величина потенциала, независимо от знака потенциала на электродах 3 и 7, должна лежать в диапазоне от 1 до 5 кВ. При напряжении ниже 1 кВ эффективность обработки воды резко снижается. При потенциале более 5 кВ существует опасность возникновения пробоя воздушного промежутка между электродами. Если на высоковольтный электрод 7 (см. фиг.1) подан отрицательный потенциал, от источника постоянного высоковольтного напряжения 9, то при прохождении частичек воды вдоль внутренней поверхности, отверстий в боковых стенках высоковольтного электрода 7 и внешней поверхности высоковольтного электрода 7 происходят следующие физические процессы.

Молекулу воды в упрощенном виде можно представить в виде H⁺OH^-. Поскольку вода является полярной жидкостью, то молекулы воды, соприкасаясь с отрицательным высоковольтным электродом, поляризуются (деформируется), притягиваясь положительно заряженным ионом водорода к электроду. Поэтому молекулы воды, подходя к высоковольтному электроду 7 и проходя вдоль его внутренней и внешней поверхности, поляризуются и превращаются в диполи.

Эта «деформация» молекул воды усиливается при подходе в полости высоковольтного электрода 7 к его острийной части, где напряженность поля существенно выше, чем вблизи остальной части этого же высоковольтного электрода. Под действием электрического поля происходит диссоциация молекулы воды на положительно заряженный ион водорода H⁺ и отрицательно заряженную гидроксильную группу ОН^-. Положительно заряженный ион водорода Н⁺ вырывает электрон с поверхности высоковольтного электрода 7 (в рассматриваемом случае с катода). Этот электрон нейтрализует положительно заряженный ион Н⁺, и ион превращается в нейтральный атом. Атомы водорода соединяются между собой в молекулу Н+Н=Н₂, и водород выделяется в окружающую среду. В воде, прошедшей вдоль поверхности внутренней полости высоковольтного отрицательно заряженного электрода 7, накапливаются в избытке отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы ОН^-. Таким образом, частицы воды в струе обрабатываемой воды при соприкосновении с поверхностью высоковольтного электрода 7 приобретают отрицательный электростатический заряд. Отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы образуют щелочную воду (католит). За счет того, что частицы воды, прошедшие вблизи острийной части отрицательно заряженного высоковольтного электрода 7, приобретают избыточный отрицательный заряд, они, проходя через внутреннюю полость высоковольтного электрода 7 и сквозное отверстие для выхода струи воды из полости этого электрода, расположенное в нижней конусообразной части высоковольтного электрода 7, а также через отверстие 41, расположенное в нижней части сопла 6, притягиваются к заземленному электроду 8, который, в этом случае, выполняет роль анода, и вода, попадая в сосуд для сбора жидкости 21, приобретает щелочные свойства (католит).

Формирование струи происходит непосредственно при прохождении внутренней сквозной полости высоковольтного электрода 7, выходного отверстия из этой полости, расположенного в нижней части высоковольтного электрода 7 и при прохождении выходного отверстия 41 сопла 6. После того как струя сформирована, при выходе ее из сопла 6 в воздушный промежуток, частички воды этой струя несут на себе избыточный отрицательный электростатический заряд. В процессе прохождения струи воды в области действия электромагнита 16, напряженность которого, с одной стороны, всегда перпендикулярна оси сформированной струи, но направление этой напряженности, хотя она остается постоянно перпендикулярной оси сформированной струи, непрерывно изменяется, создавая вращающееся магнитное поле, на отрицательно заряженные частички струи начинает действовать магнитное вращающееся поле. Заряженные частички воды начинают отклоняться от своего первоначального направления. Направление их отклонения определяется в каждый момент времени силой Лоренца по правилу левой руки. Заряженные частички воды связаны с остальными частицами струи воды силами сцепления. За счет этого вся струя начинает изгибаться и вращаться. Пусть отрицательно заряженные частички движутся со струей воды вниз (см. фиг.1). Пусть напряженность Н магнитного поля электромагнита магнита 16 в какой-то момент времени направлена от нас (см. фиг.1 отмечено знаком +). Тогда струя воды по закону левой руки будет изгибаться по направлению от нас влево. Поскольку направление напряженности магнитного поля все время изменяется, образуя вращающееся магнитное поле, то струя будет вращаться по кругу. Угол наклона струи воды по отношению к оси струи будет определяться результирующей силой, складывающейся из трех сил: силы гравитации, действующей на частицы воды, электрической силы, определяемой напряженностью электрического поля, и магнитной силы. При неизменном потенциале на высоковольтном электроде 7, неизменной конфигурации и размерах сопла 6, электродов и других элементов устройства для обработки воды угол изгиба воды будет определяться только напряженностью магнитного поля: чем выше напряженность магнитного поля, тем ближе угол изгиба струи воды относительно вертикальной оси симметрии устройства к 90 градусам. Напряженность магнитного поля в области струи при использовании электромагнита можно изменять двумя способами: путем изменения намагничивающего тока в катушках электромагнита, или путем изменения расстояния от катушек электромагнита до струи. Изогнутая и вращающаяся струя обработанной воды будет выглядеть в виде фонтана, образующего параболический конус вращения с вершиной в точке изгиба струи и нижним основанием в виде круга. За счет того что струя в процессе ее изгиба и вращения разбивается на мельчайшие капли, существенно возрастает поверхность соприкосновения воды с воздухом, за счет чего происходит аэрация. В процессе аэрации и омагничивания струи при обработке воды достигается раздробление и уменьшение размеров кристаллов солей жесткости, по сравнению с размерами кристаллов солей жесткости в исходной, необработанной воде. Степень активации воды при аэрации и омагничивании возрастает, что обеспечивает идеальные условия для безнакипной работы теплового оборудования и успешного применения активированной воды в технологических целях. Кроме того, активация воды способствует эффективному обеззараживанию воды.

Перед процессом обработки воды предварительно задаются ее контрольным уровням h_max в каждом из водосборников 20 и 21. Выбор величин h_max определяется условиями конкретной технической задачи, которая в каждом конкретном случае определяется техническими условиями. Например, выбор величины h_max осуществляют из соотношения 0,95h≥h_max≥0,9h, где h - высота водосборника, обусловлен следующими условиями. Выбор величины h_max=0,95 h гарантирует то обстоятельство, что водосборник будет практически полностью (на 95%) заполнен водой. Если выбрать величину h_max больше чем 0,95 h, то будет существовать опасность того, что в результате некоторых случайных отклонений в процессе обработки воды, она может переполнить водосборник и из него начнет выливаться обработанная вода. Если выбрать величину h_з меньше чем 0,9 h, то это приведет к неоправданно частому включению и отключению напряжения на высоковольтном электроде, причем эти переключения будут происходить тогда, когда еще имеется достаточно большой запас объема (около 10 и более процентов) незаполненного обработанной водой водосборника, что нерационально.

После того как один из водосборников заполнится водой (например, водосборника 21 католитом), что произойдет при достижении уровнем обрабатываемой воды в водосборнике 21 заданного контрольного значения уровня h_з, датчик воды в водосборнике 24, выдает сигнал на коммутатор напряжения 19, по которому коммутатор напряжения 19 выдает сигнал на отключения источника постоянного высоковольтного напряжения 9 и сигнал на электромагнитные клапаны 23 и 45. По этому сигналу отключается источник постоянного высоковольтного напряжения 9, срабатывают электромагнитные клапаны 23 и 45. Электромагнитный клапан 23 открывается и из водосборника 21 начинает вытекать обработанная вода (в данном случае католит) к потребителю. Одновременно с этим клапан 45 закрывается и перекрывает поступление воды в патрубок 5 сопла 6.

При подаче положительного потенциала на высоковольтный электрод 3, физические процессы, протекающие в струе воды, будут происходить по-иному.

Поскольку вода является полярной жидкостью, то, подходя к высоковольтному электроду 3, молекулы воды поляризуются и превращаются в диполи.

Отрицательно заряженный ион гидроксильной группы OH^- отдает электрон в положительно заряженный электрод 3 (анод), превращаясь в нейтральные гидроксильные группы, которые соединяясь между собой образуют молекулы воды, и атомы кислорода. Атомы кислорода, соединяясь между собой, образуют молекулу кислорода O₂ и выделяются в окружающую среду. В воде, прошедшей обработку при положительном постоянном высоковольтном потенциале на электроде, возникает избыточное содержание положительно заряженных ионов H⁺, и обработанная вода, поступающая в сосуд для сбора обработанной жидкости 20, приобретает кислотный характер (анолит).

Избыток положительно заряженных ионов водорода H⁺ образует кислотную среду (анолит). После того как струя сформирована, при выходе ее из сопла 2 в воздушный промежуток, частички воды этой струи несут на себе избыточный положительный электростатический заряд. В процессе прохождения струи воды в области магнитного поля, напряженность которого направлена перпендикулярно оси сформированной струи, на положительно заряженные частички струи начинает действовать вращающееся магнитное поле. Заряженные частички воды начинают отклоняться от своего первоначального направления. Направление их отклонения определяется по правилу левой руки. Заряженные частички воды связаны с остальными частицами струи воды силами сцепления. За счет этого вся струя начинает изгибаться, и направление изгиба струи определяется также по правилу левой руки. Под действием вращающегося магнитного поля изогнутая струя воды начинает вращаться.

Пусть положительно заряженные частички воды движутся со струей вниз (см. фиг.1). Пусть по-прежнему напряженность магнитного поля, в какой-то момент времени направлена от нас перпендикулярно плоскости листа (см. фиг.1 знак +). Тогда струя воды по закону левой руки в этот момент времени будет изгибаться по направлению от нас вправо. Поскольку направление напряженности магнитного поля непрерывно изменяется по кругу, то и изогнутая струя с положительно заряженными частицами воды в ней также начинает вращаться. В водосборник 20 скапливается кислотная вода (анолит). После того как водосборник 20 заполнится водой (анолитом), что произойдет при достижении уровнем обрабатываемой воды в водосборнике заданного контрольного значения уровня h_max, второй из датчиков уровня воды в водосборнике (анолита) 25 выдает сигнал на коммутатор напряжения 19, по которому с выхода коммутатора напряжения 19 поступает сигнал на источник высоковольтного постоянного напряжения 10 и на электромагнитные затворы 22 и 44. По этому сигналу источник высокого постоянного напряжения 10 отключается, электромагнитный затвор 22 открывается, а электромагнитный затвор 45 закрывается. При открытии электромагнитного клапана 22 из водосборника 20 начинает вытекать вода (анолит) к потребителю. Одновременно с этим при срабатывании электромагнитного клапана 44 перекрывается доступ воды в патрубок 1 и процесс обработки воды прекращается.

Если в процессе обработки воды в ней содержатся биообъекты, например бактерии, то они, проходя в области высокой напряженности электрического поля вблизи острийной части высоковольтного электрода, поляризуются и деформируются, что приводит к их гибели.

Пример конкретного выполнения. Для реализации заявляемого способа и реактора была собрана установка, изображенная на фиг.1. Установка представляла из себя два идентичных узла, отличающихся только способом подключения источников высокого напряжения 9 и 10 к идентичным высоковольтным электродам 7 и 3 этих узлов. Отличие этих двух узлов состоит в том, что на высоковольтный электрод 3 одного узла подают постоянный высоковольтный положительный потенциал от высоковольтного источника 10, а на электрод 7 другого узла подают постоянный высоковольтный отрицательный потенциал от высоковольтного источника 9. Высоковольтные электроды 7 и 3, в каждом идентичном сопле, были выполнены из электропроводного материала (нержавеющей стали марки 12Х10Т18Н).

Высоковольтные электроды 7 и 3 обоих узлов были выполнены в виде усеченного полого конуса, на большем основании которого был выполнен круглый плоский фланец диаметром 60 мм и толщиной 10 мм. В центре фланца было выполнено сквозное отверстие диаметром 8 мм. На фланце, симметрично по окружности диаметром 30 мм, было выполнено 6 сквозных отверстий. Диаметры этих отверстий были рассчитаны под крепежные детали и были равны 5,2 мм. Высоковольтные электроды 7 и 3 ниже фланца были выполнены в виде усеченного перевернутого конуса с большим (верхним) основанием, равным 20 мм, а с нижним (меньшим) основанием, равным 10 мм. Внутри конуса по центру была выполнена цилиндрическая полость диаметром 8 мм. Фланец высоковольтного электрода 3 был прикреплен к перегородке сопла крепежными винтами М 5.

Высота этой конической части высоковольтных электродов 7 и 3 была равна 60 мм. На боковых стенках конической части электродов было просверлены по 10 сквозных отверстий диаметром 2 мм.

Патрубки для ввода воды 1 и 5 сопел 2 и 6, крышки сопел 26 и 27 и водосборники 20 и 21 были выполнены из инертного материала - капролактама.

Каждое из двух идентичных сопел 2 и 6 было выполнено в виде цилиндрического тела диаметром 100 мм и высотой 120 мм. В верхней и нижней части сопел 2 и 6 выполнены две выемки. Верхняя выемка обеих сопел выполнена в виде цилиндров 36 и 37. Диаметр цилиндра выемки был равен 60 мм, а его высота - 50 мм. Полости в нижней части рабочих сопел 2 и 6 выполнены в виде сквозных конических воронок 38 и 39, заканчивающихся отверстиями 40 и 41. Диаметры верхнего основания конических воронок 38 и 39 были равны 60 мм, а диаметры отверстий 40 и 41 были равны 20 мм. Высота нижних полостей сопел 2 и 6 (конических воронок) была равна 40 мм. Верхние цилиндрические выемки 36 и 37 были отделены от нижних конических выемок перегородками толщиной 20 мм с отверстием по центру, диаметр которого был равен 20 мм. В перегородке каждого сопла было выполнено 6 несквозных отверстий глубиной 12 мм с резьбой М 5 под крепежные детали, которые были симметрично распределены по окружности диаметром 50 мм.

В верхних торцевых частях рабочих сопел 2 и 6 были выполнены проточки под уплотняющие резиновые прокладки 42 и 43. Глубина этих проточек была равна 5 мм, а ее ширина 6 мм. Диаметры окружности этой проточки были равны соответственно 64 мм и 76 мм. В проточки, на торцевой части сопел 2 и 6 проложены уплотняющие резиновые прокладки 42 и 43.

На верхнем торце рабочих сопел 2 и 6 было выполнено 6 несквозных отверстий глубиной 12 мм с резьбой под болты М 5. Эти отверстия с резьбой симметрично располагались на окружности диаметром 86 мм.

Фланцы высоковольтных электродов 7 и 3 были прикреплены к перегородкам сопел 2 и 6 крепежными винтами М 5. Крышки 26 и 27 рабочих сопел 2 и 6 были выполнены из капролактамового листа толщиной 10 мм. Диаметр крышек был равен 100 мм. По центру каждой крышки 26 и 27 был выполнены патрубки для подвода воды 1 и 5. Патрубки 1 и 5 были выполнены в виде труб с внешним диаметром 20 мм и внутренним диаметром 15 мм. Высота каждого патрубка была равна 40 мм. Крышки 26 и 27 и патрубки 1 и 5 были изготовлены из единой блочной заготовки из капролактама. В крышках 26 и 27 были выполнены сквозные отверстия для ввода высоковольтных кабелей 11 и 12 диаметром 20 мм, смещенные от центральной оси каждого сопла на расстояние 18 мм сквозные отверстия диаметром 15 мм, служащие для подвода жилы высоковольтных кабелей 11 и 12 к фланцам высоковольтных электродов 7 и 3. На каждой крышке 26 и 27 было выполнено 6 сквозных отверстий с диаметром 5,1 мм. Эти отверстия симметрично располагались по окружности диаметром 80 мм. Крышки 26 и 27 крепились к торцу сопел 2 и 6 при помощи шести болтов с резьбой М 5. Жилы высоковольтных кабелей 11 и 12 были электрически подсоединены к фланцам высоковольтных электродов 7 и 3.

В устройстве, изображенном на фиг.1, использовались следующие элементы:

22 - Электромагнитный клапан слива анолита. При необходимости слива анолита на катушку клапана 22 подается напряжение +12 В. Срабатывает клапан, открывая канал поступления анолита из емкости.

23 - Электромагнитный клапан слива католита. При необходимости слива католита на катушку клапана 23 подается напряжение +12 В. Срабатывает клапан, открывая канал поступления католита из емкости.

На фиг.2 введены следующие обозначения: 44 и 45 - электромагнитные клапаны подачи воды на обработку. На катушку электромагнитных клапанов 44 и 45 подается напряжение +12 В, при этом срабатывает соответствующий электромагнитный клапан, открывая канал поступления воды на обработку; 46 и 47 - кнопки для включения реактора для обработки воды в режиме «католит» и «анолит» соответственно.

19 - Коммутатор напряжения. Осуществляет управление подачей воды на обработку по сигналам с датчиков уровня воды (католита) 24 в водосборнике 21, датчика уровня воды (анолита) 25 в водосборнике 20 и датчиков уровня воды 28 и 29 в соплах 2 и 6. Схема электрическая коммутатора напряжения приведена на фиг.2.

Коммутатор напряжения по датчикам уровня воды в водосборниках 24 и 25 контролирует наличие предельного уровня анолита и католита в водосборниках. При достижении уровнем воды величины h_max, выбранном из соотношения 0,95h≥h_max≥0,9h, где h - высота водосборника, в любом водосборнике, по сигналу любого из датчиков воды в водосборниках 24 и 25 (наличия предельного максимального уровня анолита или католита) коммутатор 19 вырабатывает сигнал, по которому отключается высоковольтное напряжение источников 9 или 10, поступающее на высоковольтные электроды 7 или 3, отключаются электромагнитные клапаны подачи воды 44 или 45, и отключается питание на катушках электромагнитов 15 и 16.

В качестве источников 9 и 10 постоянного высоковольтного напряжения использовался источник, настроенный на выходное напряжение +2,5 кВ, выполненный по схеме, изображенной на рис.1.81 в работе (Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. - М.: Радио и связь, 1986. - 200 с.: ил., стр.83).

Датчиками уровня воды (католита, анолита и воды) 24, 25, 28, 29 служили емкостные датчики CSN EC46B8-31P-8-LZS4-H-P1 научно производственной компании «ТЭКО». В качестве электромагнитных затворов 22, 23, 44 и 45 были взяты электромагнитные клапаны марки Danfoss EV220D Ду10 Kvs0,7 производства Danfoss. Напряжение питания датчиков уровня воды и обмоток электромагнитных клапанов составляет +12 В.

Коммутатор 19 был выполнен по схеме, приведенной на фиг.2.

Нагрузкой датчиков уровня анолита, католита и воды являются обмотки электромагнитных реле K1-K3 фирмы Тусо Electronics V23105A5003A201 (Электронные компоненты. ООО «Рлатан», 2005 г. стр.209).

Коммутатор напряжения (фиг.2.) работает следующим образом. При нажатии кнопки «католит» 46 напряжение +12 В подается на катушку электромагнитного клапана 45. Электромагнитный клапан 45 срабатывает, открывая канал поступления воды на обработку. Вода поступает через патрубок 5 во внутреннюю полость высоковольтного электрода 7. Как только ее уровень достигнет максимальной заданной величины, срабатывает датчик уровня воды 29 и по его сигналу срабатывают реле К1, К2, К3, К4, К6, К7, К8. Нормально разомкнутые контакты реле K1.1, K2.1, K3.1, K4.1 замыкаются, что вызывает подключение катушек электромагнита 16 к трехфазному переменному напряжению, которое создает вращающееся магнитное поле. Одновременно с этим замыкается нормально разомкнутый контакт K6.1, блокируя кнопку 46 «католит». При отпускании кнопки 46 «католит» разрывается цепь в месте подключения кнопки 46 «католит», но поскольку замкнут нормально разомкнутый контакт K6.1 реле К1, напряжение 12 В через контакт K6.1, нормально замкнутый контакт K5.1 и диод VD1 поступает на реле К1. Одновременно с этим после замыкания контактов K1.1 срабатывают реле К6, К7 и К8. После срабатывания реле К6, К7 и К8 замыкаются нормально разомкнутые контакты этих реле K7.1 и K8.1, подключая источник постоянного высоковольтного напряжения к электродам 7 и 8. При этом на высоковольтный электрод 7 подается (минус) -2500 В, а на заземленный электрод 8 подается 0 («земля»). После обработки воды и заполнения водосборника 21 (католита) до заданной величины срабатывает датчик уровня воды (католита) 24, который выдает сигнал на реле К5. Реле К5 срабатывает и размыкает нормально замкнутый контакт реле К5.1, тем самым размыкая цепь подачи +12 В на катушку электромагнитного клапана 45. Электромагнитный клапан 45 срабатывает и перекрывает доступ обрабатываемой воды к высоковольтному электроду 7. Одновременно с этим срабатывают реле К1, К2, К3, К4, размыкая контакты K1.1, K2.1, K3.1, K4.1. Разомкнутые контакты K1.1, K2.1, K3.1, K4.1, K6.1 отключают реле К6, К7 и К8, что взывает отключение трехфазного напряжения от катушек электромагнита 16 и отключение источника высоковольтного напряжения 9 от электродов 7 и 8. Для повторного включения воды на обработку нужно вновь нажать кнопку 46 «католит».

При нажатии кнопки «анолит» 47 напряжение +12 В подается на катушку электромагнитного клапана 44. Электромагнитный клапан 44 срабатывает, открывая канал поступления воды на обработку. Вода поступает через патрубок 1 во внутреннюю полость высоковольтного электрода 3. Как только ее уровень достигнет максимальной заданной величины, срабатывает датчик уровня воды в сопле 28 и по его сигналу срабатывают реле К9, К10, К11, К12, К14, К15, К16. Нормально разомкнутые контакты реле K9.1, K10.1, K11.1, K12.1 замыкаются, что вызывает подключение катушек электромагнита 15 к трехфазному переменному напряжению, которое создает вращающееся магнитное поле. Одновременно с этим замыкается нормально разомкнутый контакт K16.1, блокируя кнопку 45 «анолит». При отпускании кнопки 45 «анолит» разрывается цепь в месте подключения кнопки 45 «анолит», но поскольку замкнут нормально разомкнутый контакт K16.1 реле К16, напряжение 12 В через контакт K16.1, нормально замкнутый контакт K13.1 и диод VD2 поступает на реле К14, К15, К16. Одновременно с этим после замыкания контактов K16.1 срабатывают реле К14 и К15. После срабатывания реле К14 и К15 замыкаются нормально разомкнутые контакты этих реле K14.1 и K15.1, подключая источник постоянного высоковольтного напряжения 10 к электродам 3 и 4. При этом на электрод 4 подается («земля») 0 В, а на электрод 3 подается (плюс) +2500 В. После обработки воды и заполнения водосборника 20 (анолита) до заданной величины срабатывает датчик уровня воды (анолита) 25, который выдает сигнал на реле К.13. Реле К13 срабатывает и размыкает нормально замкнутый контакт реле K13.1, тем самым размыкая цепь подачи +12 В на катушку электромагнитного клапана 44. Электромагнитный клапан 44 срабатывает и перекрывает доступ обрабатываемой воды к высоковольтному электроду 3. Одновременно с этим срабатывает реле К9, размыкая контакты K9.1, K10.1, K11.1, K12.1, K14.1 и K15.1. Разомкнутые контакты K9.1, K10.1, K11.1, K12.1, K14.1, K15.1 и K16.1 вызывают отключение трехфазного напряжения от катушек электромагнита 15 и отключение источника высокого напряжения 10 от электродов 3 и 4. Для повторного включения воды на обработку нужно вновь нажать кнопку 45 «анолит».

VD1, VD2 - диоды фирмы PHILIPS BTA204W-600B (Электронные компоненты ООО «Рлатан», 2005 г., стр.88), резистор R1-МЛТ-0.5 - 10 кОм.

Коммутацию высокого напряжения осуществляли реле G12 фирмы Gigavac (См. журнал «Современная электроника», №1, 2007, год, стр.26) К4-К7.

Блок питания выполнен на DRAN-60-12A фирмы CHINFA (Каталог электронных компонентов 4.1 ООО «Элтех», стр 143, www.eltech.spb.ru).

Перед обработкой вода, поступающая на вход патрубков 1 и 5, имела pH, равный 6,9, и окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал), равный 120 мВ. При подаче потенциала минус 2,5 кВ на высоковольтный электрод 7 обработанная вода в сосуде для сбора жидкости 21 имела водородный показатель pH, равный 8, т.е. приобрела щелочной характер. При этом окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) изменил свой знак и изменился почти на порядок до -124,3 мВ. При подаче напряжения +2,5 кВ на высоковольтный электрод 3, обработанная вода в сосуде для сбора жидкости 20 имела водородный показатель pH, равный 6,1, т.е. приобретала кислотный характер, а редокс-потенциал стал равен 290 мВ. Анализ воды, прошедшей обработку по заявляемому способу в заявляемом реакторе, показал, что жизнеспособные бактерии в обработанной воде, способные к делению, отсутствовали.

Магнитные сердечники электромагнитов 15 и 16 были выполнены из листовой электротехнической стали. Пакеты магнитных сердечников были набраны из колец листовой стали. Наружный диаметр этих колец был равен 100 мм, а внутренний диаметр - 50 мм. На внутренней образующей колец, а следовательно, и магнитного сердечника были выполнены 6 пазов под электромагнитные катушки. В пазах были расположены три одинаковые катушки под углом 120° друг относительно друга. Катушки были подключены соответственно к фазам трехфазного источника питания таким образом, чтобы токи были симметричны. Ознакомимся на простейшем примере с получением вращающегося магнитного поля посредством трехфазной системы токов. Расположим три одинаковые катушки 1, 2 и 3 под углом 120° друг относительно друга. На фиг.3а они показаны в поперечном разрезе. Подключим катушки 1, 2 и 3 соответственно к фазам источника питания таким образом, чтобы токи были симметричны (фиг.3б) при принятых на фиг.3а положительных направлениях токов. Рассмотрим схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, следующих друг за другом. Пусть первый из рассматриваемых моментов времени соответствует совпадению линии времени с вектором i₁. При этом i₁>0, i₂<0 и i₃<0. Направления токов в катушках и схематическая картина магнитного поля показаны на фиг.3а. Для момента времени, соответствующего положению линии времени, отмеченному цифрой 2, i₁>0, i₂=0 и i₃<0. Направления токов в катушках и схематическая картина поля даны на фиг.4б. Далее на фиг.4в и г показаны направления токов и схематические картины поля для моментов времени, соответствующих положениям линии времени 3 и 4. Сопоставление схематических картин магнитного поля, приведенных для различных, следующих друг за другом моментов времени, наглядно показывает вращение магнитного поля. Если продолжить анализ, можно убедиться, что в течение одного периода переменного тока магнитное поле таких катушек совершает один полный оборот.

Направление вращения магнитного поля зависит исключительно от последовательности фаз токов в катушках. Если сохранить подключение катушки 1 к фазе А источника питания, катушку 2 подключить к фазе С, а катушку 3 - к фазе В, то направление вращения поля меняется на противоположное. В этом можно убедиться, построив схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, аналогично тому, как это было показано выше.

При указанных параметрах обработки воды достигнуто раздробление и уменьшение размеров кристаллов солей жесткости более чем в 10 раз, по сравнению с размерами кристаллов солей жесткости в исходной, необработанной воде. В поле зрения микроскопа при увеличении в 600 раз (кристаллооптический метод контроля оценки качества электромагнитной обработки воды) практически сплошным полем (85-90%) видны раздробившиеся кристаллы солей жесткости размером 0,5-1 мкм, состоящие преимущественно из арагонитов. Степень активации воды составляет - 100%, что обеспечивает идеальные условия для безнакипной работы теплового оборудования и успешного применения активированной воды многих технологических процессов, например, в системах обогрева.

Таким образом, в результате очистки воды при помощи заявляемого способа и реактора для его реализации были достигнуты следующие преимущества по сравнению со способом-прототипом и устройством-прототипом:

- заявляемый способ и реактор позволяют изменять значение водородного показателя pH и редокс-потенциала, расширяя тем самым область применения обработанной воды.

- заявляемый способ и устройство позволяют не только управлять струей при помощи магнитного поля, но и дополнительно изменять ее свойства в процессе ее омагничивания, предотвращая накипь на стенках водопроводов и бытовых приборов при использовании в этих устройствах обработанной воды;

- заявляемый способ и устройство позволяют изменять в большом диапазоне физико-химические свойства воды, что дает возможность значительно расширить сферу эффективного применения обработанной воды в быту, в медицине, сельском хозяйстве и в разнообразных технологических процессах.

Все перечисленные достоинства заявляемого способа и устройства позволяют по сравнению с прототипами повысить эффективность обработки воды.

Источники информации

1. А.с.1682325 А1 /СССР/ Обеззараживатель сточных вод. - / А.Г.Машкин, Ю.С.Шевченко, Ю.В.Машкина. - Опубл. в БИ, 07.10.91, №37.

2. А.с.1472453 А1 /СССР/ Устройство для обеззараживания воды. - / Г.И.Мелиди, В.П.Горелов, В.Ю.Гиляров, А.Б.Омельченко, И.Н.Белкина. - Опубл. в БИ, 15.04.89, №14 - прототип.

Изобретение относится к электрохимии и высоковольтным технологиям обработки и обеззараживания воды и может быть использовано в сельском хозяйстве, животноводстве, медицине, строительстве, коммунальном хозяйстве. Способ обработки воды заключается в том, что воду электростатически заряжают путем пропускания через внутреннюю полость высоковольтного электрода, на который подают относительно заземленного электрода потенциал, величина которого лежит в диапазоне 1-5 кВ, формируют на выходе острийной части конусообразного высоковольтного электрода струю воды и направляют ее в воздушный промежуток между электродами, в котором производят аэрирование струи воды, для чего струю изгибают и вращают вокруг ее вертикальной оси, причем изгибание и вращение струи вокруг ее вертикальной оси осуществляют путем воздействия на струю вращающимся магнитным полем, напряженность которого направлена перпендикулярно к ее вертикальной оси. Изобретение позволяет изменять значение водородного показателя pH и редокс-потенциала воды, предотвращать накипь на стенках водопроводов и бытовых приборов, расширяя тем самым область применения обработанной воды. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обработки воды, заключающийся в электростатической зарядке частиц воды за счет их пропускания в воздушном промежутке между анодом и катодом, отличающийся тем, что воду электростатически заряжают путем пропускания через внутреннюю полость высоковольтного электрода, на который подают относительно заземленного электрода потенциал, величина которого лежит в диапазоне 1-5 кВ, формируют на выходе острийной части конусообразного высоковольтного электрода струю воды и направляют ее в воздушный промежуток между электродами, в котором производят аэрирование струи воды, для чего струю изгибают и вращают вокруг ее вертикальной оси, причем изгибание и вращение струи вокруг ее вертикальной оси осуществляют путем воздействия на струю вращающимся магнитным полем, напряженность которого направлена перпендикулярно к ее вертикальной оси.

2. Устройство для обработки воды, содержащее патрубки и электроды, отличающееся тем, что содержит два идентичных патрубка с соплом, формирующим струю воды, два идентичных высоковольтных электрода, два идентичных заземленных электрода, два высоковольтных источника постоянного напряжения с противоположной полярностью напряжения на выходе, высоковольтный кабель, два герметичных разъема высоковольтного кабеля, два электромагнита, два держателя электромагнита, коммутатор напряжения, два водосборника, четыре электромагнитных клапана, два датчика уровня воды в рабочих соплах, в водосборниках, причем в каждое идентичное сопло введены крышки сопел, датчики уровня воды в сопле, герметичные разъемы датчиков уровня воды, крепежные детали, при этом патрубки для ввода воды, крышки сопел, сопла и водосборники выполнены из инертного материала - капролактама, каждое из двух идентичных сопел выполнено в виде цилиндрического тела, в верхней и нижней части которого выполнены две выемки, верхняя выемка выполнена в виде цилиндра, полости в нижней части сопел выполнены в виде сквозных конических воронок, заканчивающихся отверстиями, полости в каждом сопле разделены друг от друга перегородкой, по центральной оси которой выполнено сквозное отверстие, в верхней части перегородки выполнены несквозные отверстия с резьбой, на верхнем торце каждого сопла также выполнены несквозные отверстия с резьбой, патрубки для ввода воды выполнены в виде цилиндрической трубы, патрубки герметично закреплены на крышках сопел и сообщаются с верхней цилиндрической полостью сопел, крышка каждого сопла выполнена в виде цилиндрического диска, в центральной части которой выполнено сквозное отверстие под патрубки для ввода воды, другое отверстие для подвода кабелей к фланцам высоковольтных электродов смещено относительно центра, каждая крышка сопел снабжена сквозными отверстиями, совпадающими с несквозными отверстиями с резьбой, расположенными на торцевой части каждого сопла, диаметр этих отверстий соответствует диаметру крепежных деталей, высоковольтные электроды в каждом идентичном сопле выполнены из электропроводного материала, в верхней части имеют контактный плоский фланец, диаметр которого равен диаметру верхнего цилиндра выемки сопел, ниже контактного фланца высоковольтные электроды выполнены в виде конического тела, внутри которого имеется сквозная полость, на боковых стенках высоковольтных электродов имеются сквозные отверстия, крышки сопел крепятся к соответствующему соплу при помощи крепежных деталей, фланец каждого высоковольтного электрода присоединяется крепежными деталями к перегородке соответствующего сопла, коническая часть каждого высоковольтного электрода вводится через сквозное отверстие соответствующей перегородки в нижнюю коническую полость соответствующего сопла, малое основание усеченной части высоковольтных электродов выходит в сквозное отверстие нижней выемки сопла, два других идентичных заземленных электрода выполнены из проводящего материала в виде плоского диска и каждый из них установлен под днищем соответствующего водосборника, причем плоскость указанных электродов перпендикулярна центральной оси соответствующего сопла, корпуса обоих электромагнитов выполнены идентично в виде цилиндрического тела из магнитного материала, на внутренней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы, внутри которых размещены три одинаковые катушки, соединенные звездой с общей нейтралью, причем к катушкам электромагнита подключено трехфазное переменное напряжение со смещением фаз относительно друг друга на 120°, электромагниты расположены в воздушном промежутке ниже соответствующего сопла, причем ось симметрии сопла является осью симметрии магнитного сердечника, электромагниты закреплены на держателях магнита, которые механически прикреплены к соответствующим водосборникам, оба водосборника выполнены в виде сосуда, на внутренних стенках каждого водосборника на заданной высоте закреплено по датчику уровня воды, выходы датчиков уровня воды в сопле соединены с входом коммутатора напряжения, который связан с входами высоковольтных источников постоянного напряжения, датчики уровня воды в сопле закреплены на внутренней поверхности крышек сопел, выходы этих датчиков через герметичные разъемы, расположенные на крышках сопел, также соединены с входом коммутатора, источник высоковольтного напряжения с высоковольтным положительным выходом электрически подключен к высоковольтному кабелю, который через герметичный высоковольтный разъем, расположенный на крышке соответствующего сопла, электрически соединен с контактным фланцем одного высоковольтного электрода, заземленный выход источника высоковольтного напряжения присоединен к заземленному электроду, выход другого источника высоковольтного напряжения с высоковольтным отрицательным потенциалом на выходе электрически подключен к высоковольтному кабелю, который через герметичный высоковольтный разъем, расположенный на крышке соответствующего сопла, электрически соединен с контактным фланцем другого высоковольтного электрода, заземленный выход источника высокого напряжения присоединен к заземленному электроду.