СПОСОБ АКТИВАЦИИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C02F1/34 C02F103/04 

Группа изобретений относится к способам и устройствам для обработки воды и предназначена для улучшения потребительских свойств воды, в частности, придания ей свойств, обеспечивающих повышение эффективности обменных процессов, происходящих в живых организмах. Группа изобретений может найти применение на стадии водоподготовки в животноводстве, растениеводстве, а также в фармакологической и пищевой промышленности.

В последние годы кавитационная обработка воды различными способами вызывает все больший интерес и находит широкое применение в различных областях промышленности.

Известен способ активации жидкости, включающий воздействие продольными электромагнитными волнами, акустическими волнами доультразвуковой и ультразвуковой частоты, возникающих при гидродинамической кавитации (далее - ГДК) в условиях турбулентного движения масс воды или растворов по одному или нескольким кругам относительно активируемой жидкости (RU 2333155). При осуществлении известного способа активация воды происходит за счет дистанционного воздействия на нее другой жидкостью, которую подвергают ГДК в условиях турбулентного движения по трубопроводу, в результате которой и возникают акустические волны до- и ультразвуковой частоты. При этом режим ГДК активирующей жидкости в описании способа не отражен. Изменения физико-химических показателей активируемой воды фиксировались по двум параметрам: водородному показателю (ед. рН), который незначительно уменьшался, и электропроводности (мкОм/см), которая заметно уменьшалась.

Причинами, по которым при использовании известного способа невозможно достичь указанных ниже технических результатов, являются:

- Активирование воды происходит не в процессе ГДК, а путем дистанционного воздействия на воду продольными электромагнитными и акустическими волнами на до- и ультразвуковых частотах, возникающих вне объема активируемой воды. Такое дистанционное (опосредованное) многостадийное воздействие на воду с целью ее активации значительно усложняет технологический процесс.

- Отсутствие точного регламента каждой стадии процесса может явиться причиной недостаточной воспроизводимости и стабильности результатов, необходимой для организации масштабного технологического процесса. Например, не указаны режимы генерации турбулентности и, следовательно, режимы кавитации, являющейся источником акустических колебаний, не указано расстояние, на котором можно располагать активируемую воду для получения оптимального режима активации.

Наиболее близким к заявляемому способу по числу совпадающих существенных признаков является способ получения биологически активной воды, включающий энергетическую обработку воды в роторном кавитационном аппарате при температуре 15-70°С в течение 5-50 циклов и числе оборотов ротора кавитатора 2000-12000 1/мин (RU 2307796). Принят в качестве прототипа. Техническим результатом способа-прототипа является повышение урожайности сельскохозяйственных культур, увеличение содержания витамина С, каротина, сахара в плодах и снижение содержание нитратов и тяжелых металлов в них.

Причиной, по которой при использовании известного способа невозможно достичь указанных ниже технических результатов, являются отличия в режиме обработки водного потока, в частности режиме кавитации, а также несовершенство используемого устройства, предназначенного для иных целей.

Как следует из описания известного способа, обработке подвергают колодезную воду, содержащую различные природные микроорганизмы, хлорорганические соединения, нитраты и другие примеси, отрицательно влияющие на жизнедеятельность растений. В то же время при обработке воды в соответствии со способом-прототипом, импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обуславливают мгновенные разрывы и гибель микроорганизмов и простейших, чему способствует также образование перекиси водорода и свободных радикалов. Кроме того, повышение температуры воды приводит к удалению хлорорганических соединений, нитратов и других примесей. Таким образом, техническим результатом использования известного способа, по сути, является очистка природной воды от естественных примесей, отрицательно влияющих на жизнедеятельность растений. Это обстоятельство косвенно подтверждается тем, что описание известного способа не содержит ни одного физико-химического параметра, характеризующего повышение биологической активности воды.

Кроме того, следует отметить несовершенства используемого устройства, предназначенного для иных целей, которые заключаются в следующем:

- сложность выполнения и регулировки малых зазоров между ротором и статором, приводящие к возникновению трения между ними, особенно при больших скоростях вращения ротора, что, в свою очередь, является причиной значительных энергетических затрат при обработке воды, снижения эффективности ее обработки и усложнения эксплуатации установки,

- взаимное трение рабочих поверхностей ротора и статора в используемом роторном кавитационном аппарате является также причиной абразивного износа рабочих частей аппарата, что ведет к неконтролируемому снижению эффективности обработки воды в процессе эксплуатации установки и необходимости периодической замены ротора и статора, усложняющей эксплуатацию установки,

- невозможность технологически выполнить, отрегулировать и поддерживать постоянным зазор между ротором и статором менее 0,1 мм.

В настоящее время известны несколько типов устройств, используемых для достижения эффекта кавитации жидкостей.

Известно устройство, используемое для реализации способа уничтожения микроорганизмов путем обработки текучей среды с помощью установки ГДК (US 2008/0029462 A1). Известное устройство включает: корпус, впускное и выпускное отверстия для потока жидкости, камеру, внутри которой между впускным отверстием и выпускным отверстиями размещено множество деталей, имеющих плоскости, перпендикулярные основному потоку, и препятствующих потоку обрабатываемой жидкости. При использовании известного устройства эффект ГДК достигается за счет сложной внутренней конфигурации камеры, предназначенной для прохождения потока жидкости. Причиной, по которой при использовании известного устройства невозможно достичь указанных ниже технических результатов, являются следующие обстоятельства:

- общая продолжительность обработки потока жидкости ограничена продолжительностью прохождения жидкости через камеру,

- чрезмерная усложненность внутренней конфигурации камеры, предназначенной для прохождения потока жидкости, воздает повышенное гидродинамическое сопротивление, что ведет к дополнительным затратам энергии, необходимым для достижения эффекта кавитации при проталкивании жидкости через камеру.

Наиболее близким к заявляемому устройству по числу совпадающих существенных признаков является устройство, используемое для реализации способа перемешивания двух или более различных сред, включающего стадию достижения кавитации в смеси (PCT/US 01/40651). Принято в качестве прототипа. При использовании устройства-прототипа эффект ГДК достигается в результате пропускания потока воды через цилиндрическую камеру, внутри которой расположен смонтированный на валу цилиндрический ротор (диск). Ротор имеет круглую поверхность, на которой размещены в 1 или более рядов множество неровностей в форме неглубоких выемок или отверстий.

Однако при использовании нерегулярностей на диске кавитация инициируется на поверхности диска, при этом затруднительно достичь равномерного распределения условий возникновения эффекта кавитации в значительном объеме жидкости. Устройство прототип не предназначено для изменения потребительских свойств воды, когда равномерность изменения таких свойств имеет принципиальное значение.

Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи изменения потребительских свойств воды, в частности, придания ей свойств, обеспечивающих повышение эффективности обменных процессов при взаимодействии с живыми организмами.

Использование на стадии водоподготовки заявляемого способа позволяет достичь следующих технических результатов:

- возможность придания воде свойств, характерных для водной среды, внутри живых организмов и растений - водородный показатель рН и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), за счет ее обработки в гидродинамическом кавитаторе при реализации режима объемной турбулизации течения потока;

- возможность сохранения измененных значений рН и ОВП в течение длительного времени (не менее 10 дней);

- возможность изменения режима обработки воды за счет изменения скорости вращения дисков от 2000 об/мин до 4000 об/мин и углов наклона дисков относительно друг друга от 0° до 15°;

- возможность регулировать равномерность и интенсивность кавитационной обработки порции активируемой воды за счет изменения количества дисков ротора (от 4 до 15);

- повышение интенсивности кавитационных процессов путем создания дополнительных условий турбулизации потока на выходе из рабочей зоны;

- сокращение энергетических затрат за счет незначительной продолжительности обработки воды (40-160 сек).

Использование заявляемого устройства позволяет достичь следующих технических результатов:

- возможность изменения режима обработки воды за счет конструкции роторного узла, состоящего из набора от 4 до 15 плоских дисков, размещенных на оси ротора и расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга и изменения скорости вращения дисков;

- повышение интенсивности кавитационных процессов (образования большого количества отрывных зон) путем создания условий дополнительной турбулизации потока на выходе из рабочей зоны за счет наличия в передней крышке роторного узла отверстий, расположенных на равном расстоянии одно от другого и таким образом, что расстояние от оси ротора до центров отверстий больше радиусов дисков ротора;

- повышение износостойкости оборудования вследствие отсутствия трения между ротором и статором за счет возможности регулировки малых зазоров между ними.

Указанные технические результаты при осуществлении способа достигаются за счет того, что так же, как в известном способе, активацию воды осуществляют путем ГДК в условиях турбулентного движения воды.

Особенность заявляемого способа заключается в том, что обработку воды осуществляют путем ГДК при реализации режима объемной турбулизации потока, возникающего при пропускании воды через роторный узел устройства для ГДК. Роторный узел устройства для ГДК представляет собой сборную конструкцию, состоящую из набора от 4 до 15 плоских дисков, расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга с возможностью регулирования величины углов наклона дисков. Каждый из дисков снабжен 3-мя или 4-мя соосно расположенными отверстиями, суммарная площадь которых равна площади входного патрубка устройства. Выход потока воды в нагнетательную камеру устройства происходит через переднюю крышку роторного узла, снабженную 5-ю отверстиями, расположенными соосно оси ротора. Скорость вращения ротора равна 2000-4000 об/мин, продолжительность обработки воды составляет 40-160 сек.

Указанные технические результаты при осуществлении устройства достигаются за счет того, что так же, как известное устройство для ГДК воды, предлагаемое представляет собой камеру с вращающимся диском, с многочисленными отверстиями.

Особенность заявляемого устройства заключается в том, что устройство для ГДК включает цилиндрическую нагнетательную камеру, внутри которой расположены: роторный узел, представляющий собой сборную конструкцию, состоящую из набора от 4 до 15 плоских дисков, размещенных на оси ротора под углом от 0° до 15° относительно друг друга, разделенных цилиндрическими или коническими шайбами, и стянутых в пакет гайкой на ступице ротора. Каждый из дисков снабжен 3-мя или 4-мя соосно расположенными отверстиями, суммарная площадь которых равна площади отверстия входного патрубка. Передняя и задняя крышки роторного узла имеют коническую форму с цилиндрическим основанием, причем цилиндрические основания выполнены с возможностью их плотного совмещения. В передней крышке ротора находятся расположенные на равном расстоянии одно от другого отверстия. Расстояние от оси ротора до центров отверстий больше радиусов дисков ротора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изменение параметров (рН и ОВП) воды (ее потребительских свойств) целесообразно осуществлять в направлении оптимального приближения их к параметрам водной среды внутри живых организмов и растений. В этом случае следует ожидать снижения энергетических затрат организма на усвоение такой воды, т.е. повышения эффективности обменных процессов в живых организмах и в растениях. В свою очередь, повышение эффективности обменных процессов должно приводить к активизации жизнедеятельности как живых организмов, так и растений, что имеет важное практическое значение.

Известно, что параметры обычно потребляемой человеком воды следующие: pH=7.2-7.3 (согласно санитарно-эпидемиологическим нормам допускается значение рН=6-9), ОВП≈400 мВ. В то же время параметры водной среды живых организмов и растений отличаются от этих значений. Так, параметры межклеточной жидкости человека составляют pH=7.6-7.7, а ОВП=-100-150 мВ.

Авторами заявляемой группы изобретений экспериментально установлено, что обработка воды в установке ГДК при соблюдении определенного режима водного потока позволяет достичь изменения жизненно важных характеристик физико-химического состояния воды, в частности рН и ОВП, оптимальных для использования в продуктах питания человека (где воды содержится не менее 50%) и в агропромышленном комплексе (растениеводстве и животноводстве). Определяющим условием для получения необходимых свойств воды является возникновение в потоке эффекта кавитации. Этот эффект возникает благодаря тому, что при определенных условиях давление в отдельных точках жидкости становится меньше давления насыщенных паров. В частности, такие условия могут возникать в турбулентном потоке, где уменьшение давления до значений, меньших давления насыщения, получается за счет турбулентных пульсаций. Таким образом, технические параметры устройства выбираются, исходя из условия Re>Re_кр, где Re=U_cL/ν - число Рейнольдса, U_c - характерная линейная скорость потока, L - характерный размер - расстояние между дисками, ν - кинематическая вязкость.

Авторами создана оригинальная конструкция для осуществления требуемого режима ГДК. На рабочем режиме установки при вращении ротора вода под действием сил трения и центробежных сил по спиральной траектории отбрасывается к периферии дисков. При выполнении условия Re≥Re_кр, течение становится турбулентным и в этой зоне потока создаются условия для возникновения кавитации.

Под действием центробежных сил в кольцевом пространстве между дисками и передней крышкой роторного узла создается давление, под действием которого вода выдавливается в кольцевые отверстия передней крышки в направлении, перпендикулярном плоскости дисков ротора. В точке поворота возникает отрывная зона течения, в которой при возникновении в этой зоне турбулентности также создаются условия для кавитации.

Такая конструкция устройства обеспечивает эффективную обработку воды и получение требуемых значений рН и ОВП при малом энергопотреблении, бесшумную работу и простой механизм управления режимами обработки воды. Кроме того, при скорости вращения дисков ротора 2000-4000 об/минуту и специальном расположении дисков ротора относительно друг друга получаемые значения рН и ОВП после обработки воды сохраняются в течение длительного времени (до 10 дней и более), что необходимо для использования воды в различных отраслях промышленности.

Способ осуществления ГДК обработки воды с использованием заявляемого устройства осуществляют следующим образом.

Подсоединяют входную и выходную магистраль устройства так, чтобы исключить в соединениях подсос воздуха и протечку воды. В корпусе рабочей полости отворачивают пробку заливного отверстия и заполняют водой объем рабочей полости. После этого пробку закручивают. Соблюдая технику безопасности, устройство подсоединяют к электрической сети и запускают двигатель. Сначала производят прокачку воздушного столба во всасывающей магистрали в зону нагнетательной камеры. После заполнения магистрали водой выводят устройство на рабочий режим работы, т.е. осуществляют ГДК обработку порции воды.

Пример выполнения способа.

Произведена обработка 2-х порций водопроводной и дистиллированной воды при температуре 20°С с расходом воды - 20 л/мин при количестве оборотов ротора с параллельно расположенными дисками - 3000 об/мин. В табл.1 приведены характеристики физико-химического состояния порций воды, в частности рН и ОВП, до обработки в соответствии с заявляемым способом, сразу после обработки и по истечении нескольких суток.

Заявляемое устройство включает следующие узлы:

- Корпус нагнетательной камеры с входным и выходным патрубками для воды, представляющий собой стакан из нержавеющей стали с патрубками для входа и выхода воды.

- Роторный узел, состоящий из плоских дисков, размещенных на оси ротора и расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга, и разделительных цилиндрических или конических шайб. В дисках ротора симметрично расположены 3 или 4 соосных отверстия, суммарная площадь которых равна площади отверстия входного патрубка. Диски и шайбы стянуты в пакет гайкой на ступице ротора.

- Передняя и задняя крышки ротора. Передняя крышка ротора имеет форму конуса, с цилиндрическим основанием, которое с уплотнением размещается в корпусе задней крышки. По периферии передней крышки, у ее основания расположены пять симметричных отверстий для выпуска воды в нагнетательную камеру под углом 90° относительно направления потока между дисками. Оси отверстий расположены по кольцевому зазору между внешним диаметром дисков и корпусом насоса, расстояние от оси ротора до их осей больше радиусов дисков.

- Уплотнительная шайба вала ротора, которая представляет собой цилиндрическую трубку с плоскими фланцами из износостойкого полимера и пружины, упирающейся во фланцы, и растягивающие ее цилиндрическую часть.

Заявляемое устройство может быть реализовано в трех вариантах:

1. с параллельно-прямым расположением дисков ротора,

2. с параллельно-наклонным расположением дисков ротора,

3. с разно-наклонным расположением дисков ротора.

Отличительным признаком вариантов устройства является размещение цилиндрических или конических разделительных шайб на оси ротора между дисками.

Схема устройства приведена на Фиг.1-5, на которых обозначены элементы устройства:

1. корпус нагнетательной камеры,

2. диски ротора,

3. разделительные шайбы ротора,

4. соосные отверстия в дисках ротора,

5. передняя крышка ротора,

6. задняя крышка ротора,

7. отверстия для выхода воды в нагнетательную камеру,

8. уплотнительная шайба вала ротора.

На Фиг.1 представлен разрез А-А: диска ротора;

На Фиг.2 представлен вид передней крышки;

На Фиг.3 представлена схема параллельно-прямого расположения дисков ротора;

На Фиг.4 представлена схема параллельно-наклонного расположения дисков ротора;

На Фиг.5 представлена схема разно-наклонного расположения дисков ротора.

Табл.1 Вода Исходное значение pH Исходное значение ОВП, мВ Продолжи-тельность обработки (сек) Продолжительность хранения, дни сразу после обработки 1 5 10 рН ОВП, мВ рН ОВП, мВ рН ОВП, мВ рН ОВП, мВ Водопроводная вода 7.4±1% 450±5% 40 7.7±1.2% 275±5% 7.9±2.5% 265±5% 7.9±2.5% 265±5% 7.9±2.5% 265±5% Дистиллирован-ная вода 6.0±5% 435±5% 40 7.6±1.5% 285±5% 7.9±2.5% 270±5% 7.9±2.5% 270±5% 7.9±2.5% 270±5%

Группа изобретений может быть использована на стадии водоподготовки в животноводстве, растениеводстве, а также в фармакологической и пищевой промышленности. Обработку воды осуществляют путем гидродинамической кавитации - ГДК при реализации режима объемной турбулизации потока, возникающего при пропускании воды через роторный узел устройства для ГДК. Роторный узел устройства для ГДК представляет собой сборную конструкцию, состоящую из набора от 4 до 15 плоских дисков, расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга с возможностью регулирования величины углов наклона дисков. Каждый из дисков снабжен 3-мя или 4-мя соосно расположенными отверстиями, суммарная площадь которых равна площади входного патрубка устройства. Выход потока воды в нагнетательную камеру устройства происходит через переднюю крышку роторного узла, снабженную 5-ю отверстиями, расположенными соосно оси ротора. Скорость вращения ротора равна 2000-4000 об/мин, продолжительность обработки воды составляет 40-160 сек. Установка с устройством для ГДК включает цилиндрическую нагнетательную камеру, внутри которой размещен вышеописанный роторный узел. Изобретения обеспечивают возможность регулирования режима кавитационной обработки воды, улучшение потребительских свойств обработанной воды, сохранение значений рН и окислительно-восстановительного потенциала в течение длительного периода времени, а также сокращение энергетических затрат за счет незначительной продолжительности обработки воды. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил., 1 пр.

1. Способ активации воды, включающий воздействие путем гидродинамической кавитации в условиях турбулентного движения воды, отличающийся тем, что обработку воды осуществляют путем гидродинамической кавитации при реализации режима объемной турбулизации потока, возникающего при пропускании воды через роторный узел устройства для гидродинамической кавитации, представляющий собой сборную конструкцию, состоящую из набора от 4 до 15 плоских дисков, расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга с возможностью регулирования величины углов наклона дисков, каждый из которых снабжен 3-мя или 4-мя соосно расположенными отверстиями, суммарная площадь которых равна площади входного патрубка устройства, и выходе потока воды в нагнетательную камеру устройства через переднюю крышку роторного узла, снабженную 5-ю отверстиями, расположенными соосно оси ротора, при скорости вращения ротора равной 2000-4000 об/мин и продолжительности обработки воды 40-160 сек.

2. Установка для гидродинамической кавитации воды, включающая камеру, внутри которой размещен вращающийся диск с многочисленными отверстиями, отличающаяся тем, что устройство для гидродинамической кавитации включает цилиндрическую нагнетательную камеру, внутри которой размещены: роторный узел, представляющий собой сборную конструкцию, состоящую из набора от 4 до 15 плоских дисков, размещенных на оси ротора и расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга, разделенных цилиндрическими или коническими шайбами, и стянутых в пакет гайкой на ступице ротора, каждый из дисков снабжен 3-мя или 4-мя соосно расположенными отверстиями, суммарная площадь которых равна площади отверстия входного патрубка, передняя и задняя крышки роторного узла имеют коническую форму с возможностью плотного размещения передней крышки в задней крышке, при этом передняя крышка роторного узла снабжена пятью отверстиями, расположенными на равном расстоянии одно от другого между внешним диаметром дисков и корпусом насоса.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что роторный узел выполнен с параллельно-прямым расположением дисков ротора.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что роторный узел выполнен с параллельно-наклонным расположением дисков ротора.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что роторный узел выполнен с разнонаклонным расположением дисков ротора.