БЕЗРЕАГЕНТНЫЙ РЕАКТОР ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2025 года по МПК C02F1/34 

Изобретение относится к компактным устройствам для очистки воды с получением питьевой воды с улучшенными биологическими и физическими свойствами, реактор может также применяться для доочистки в системах очистки сточных вод различного происхождения, а также использоваться в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и других областях.

Из уровня техники известна форсунка плоскоструйная, которая содержит корпус, в корпусе расположены каналы для подачи под давлением воды и воздушной смеси в камеру смешения, имеющую сопло для выхода водовоздушной смеси, при этом корпус состоит из жиклера и хвостовика, расположенных соосно и закрепленных жестко относительно друг друга, камера смешения расширяется по направлению к выходу, концевая часть хвостовика имеет форму полусферы, воздушная смесь подается через каналы, образуемые между жиклером и хвостовиком, а канал для подачи воды расположен по центру хвостовика, лицевая часть жиклера имеет два паза вогнутой, дугообразной формы, расположенные крест накрест, под углом 90° относительно друг друга, одна с внешней стороны лицевой части жиклера, другая с внутренней стороны лицевой части, образующие в центре сопло ромбовидной формы (см. ПМ RU №134990, E21F 5/04, опубл. в 2013 г.). Известная форсунка позволяет сформировать факел водовоздушного спрея плоской формы на выходе.

Известна установка по очистке и обеззараживанию воды, содержащая гидроциклон, фильтр осветительный, насос, гидродинамический импульсный генератор с электроприводом, кавитационный реактор-циклон (КРЦ), два эжектора, проскоковый фильтр, воздушные клапаны, отличающаяся тем, что гидродинамический импульсный генератор содержит горизонтально расположенный цилиндрический полый корпус, который имеет диаметрально расположенные два резьбовых отверстия, в которые вставлены разгонные форсунки, выходной срез которых выполнен заподлицо с внутренней цилиндрической полостью корпуса, цилиндрический полый корпус содержит цилиндрический полый ротор, который установлен коаксиально с зазором, кроме того, цилиндрический полый ротор имеет диаметрально расположенные два одинаковых отверстия, причем два одинаковых отверстия разгонных форсунок и два одинаковых отверстия ротора расположены на одной диаметральной оси, ротор снабжен подшипниковым узлом, который снабжен манжетой; КРЦ содержит вертикально расположенный цилиндрический полый корпус, выполненный в виде усеченного конуса, наибольшим диаметром установленного вверх, внутри которого на одной вертикальной оси расположен разгонный конус и совмещенный с ним разгонный цилиндр, причем разгонный конус расположен в нижней части КРЦ и прикреплен к днищу наименьшим диаметром, а разгонный цилиндр - в верхней части КРЦ, кроме того, разгонный цилиндр выполнен по наибольшему диаметру разгонного конуса, соединен с ним герметично и имеет форму опрокинутого стакана, разгонный конус в верхней части имеет радиальные каналы, которые соединены с центральным вертикальным каналом, который имеет выход внутрь разгонного цилиндра, который прикреплен герметично к крышке КРЦ, в которой выполнено центральное отверстие по диаметру цилиндрического корпуса разгонного цилиндра, КРЦ снабжен коллектором для отвода воды с твердыми частицами, выполненным в верхней части КРЦ, расположенным с зазором относительно наружной стенки корпуса и крышки КРЦ и установленным коаксиально относительно корпуса КРЦ, кроме того, установка содержит два эжектора, которые расположены между гидродинамическим импульсным генератором и КРЦ и соединены патрубками, причем выходные патрубки эжекторов прикреплены тангенциально к корпусу КРЦ в нижней его части, а днище КРЦ установлено под углом α к вертикальной оси КРЦ (см. патент RU на изобретение №2305073, C02F 9/00, опубл. в 2007 г.). Это техническое решение циклонного типа с гидродинамическим импульсным генератором предназначено для очистки и обеззараживания воды, имеет очень сложную конструкцию и значительное потребление электроэнергии.

Известно кавитационное устройство для очистки и обеззараживания воды, содержащее полую камеру с водой, вводной и выводной патрубок для циркуляции воды, кавитационное устройство и электрический водяной насос, присоединенный к вводному патрубку и соединенный с внешней гидросистемой, отличающееся тем, что электрический водяной насос и кавитатор конструктивно совмещены и выполнены в виде электрогидроударной камеры, содержащей корпус в виде полого цилиндра, по краям которого размещены два дисковых кавитатора и два конических, выходными соплами размещенные по ее торцам, а также и два отводных патрубка, механически присоединенные к торцам сопел, причем в корпус ввернута электроискровая свеча с центральным электродом, кольцевым электродом, электрически и механически соединенным с ее ввертной частью, и электрическим изолятором между ними, и кольцевым магнитом, размещенным на этом электрическом изоляторе, причем данный теплогенератор дополнен электрическим устройством, содержащим повышающий управляемый электрический преобразователь напряжения, с выходным накопительным высоковольтным электрическим конденсатором, и первичным источником электроэнергии, электрически присоединенным по входу к упомянутому преобразователю напряжения, причем первый выходной высоковольтный электрический потенциал преобразователя заземлен на корпус камеры, а второй его выходной электрический потенциал присоединен через высоковольтный коммутатор к центральному электроду электроискровой свечи, причем этот повышающий преобразователь напряжения может быть выполнен в виде обычного повышающего индуктивного трансформатора, первичная обмотка которого присоединена к стандартной электросети переменного тока, а вторичная высоковольтная обмотка присоединена через выпрямитель к накопительному электролитическому конденсатору, с рабочим напряжением, согласованным с выходным напряжением, причем отводные патрубки камеры механически присоединены через отводные трубопроводы и обратные трубопроводы к внешним кавитаторам, гидравлически присоединенным к тепловой водяной батарее, причем регулятор интенсивности вырабатываемой тепловой энергии выполнен в виде регулятора частоты и скважности управляемого и бесконтактного высоковольтного коммутатора с изменяемой частотой и длительностью включения в зависимости от температуры воды, причем внутренние кавитаторы, размещенные в полой электрогидроударной камере, по ее торцам выполнены в виде дисков со сквозной перфорацией - в виде фасонных отверстий с конфигурацией отверстий в виде сопел Лаваля, а внешние кавитаторы данного устройства выполнены в виде сопел Лаваля, причем вводной и выводной водяные патрубки для очистки воды размещены на полой трубе электрогидроударной камеры и оснащены управляемыми клапанами, причем устройство дополнено съемным приспособлением для систематического удаления осадка из обработанной воды, присоединенным к днищу гидроударной камеры, а конструктивные параметры устройства и их соотношения выбирают из условия требуемой производительности и качества очистки воды (см. патент на полезную модель RU №71739, F24H 3/02, опубл. в 2008 г.). Это достаточно сложное устройство использует принцип получения тепловой энергии непосредственно из воды за счет кавитации воды и приведение воды в вихревое движение.

Известно устройство для гидродинамической очистки воды, содержащее средство для электроимпульсной обработки воды на входной трубе, конфузор, переходную горловину и диффузор, отличающееся тем, что средство для электроимпульсной обработки воды выполнено в виде двух последовательно включенных электролитических конденсаторов, состоящих из парной группы навивных электродов, спирально расположенных на внешней стороне входной трубы, при этом между группами навивных электродов расположен участок входной трубы, свободный от электродов, а конфузор выполнен в виде коноидальной форсунки, причем переходная горловина выполнена в виде расширяющейся вакуумной зоны, снабженной соплом для всасывания воздуха, при этом устройство снабжено упругой мишенью, расположенной на пути потока воды на регулируемом расстоянии от диффузора (см. патент RU на изобретение №2769109, C02F 9/12, опубл. в 2022 г.). Это техническое решение направлено на повышение безопасности и эффективности очистки воды за счет интенсификации гидродинамического воздействия, создания импульсов в ультразвуковом и акустическом диапазоне внутри водопроводных труб под действием импульсного электрического поля, а также создание условий для искусственной кавитации при соударении с жесткой мишенью.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является реактор, который использован в установке безреагентной очистки и обеззараживания воды, содержащей эжекторную секцию, два эжектора, вытяжной вентилятор и гидроциклон, при этом дно бака-реактора выполнено наклонным, его первый выход связан с дренажной системой, а второй выход бака-реактора с помощью трубопровода, содержащего запорные вентили, регулирующую арматуру и насос, образует линию подачи обрабатываемой воды в бак-реактор и очищенной воды потребителю, бак-реактор снабжен аварийным переливом и двумя датчиками верхнего и нижнего уровней воды; каждый из эжекторов имеет камеру смешения, приемную камеру, имеющую один выход и два входа, один из которых служит для подачи воздуха или озоно-воздушной смеси, а второй - для подачи обрабатываемой воды; гидроциклон имеет один вход и два выхода, при этом вход гидроциклона связан трубопроводом, содержащим регулирующий затвор, со скважным насосом и образует подающую линию обрабатываемой воды для первого эжектора, первый выход гидроциклона с помощью трубопровода, содержащего запорный вентиль, связан со вторым входом приемной камеры первого эжектора, а его второй выход связан с дренажной системой с помощью трубопровода, содержащего запорный вентиль, причем дополнительно содержит второй гидроциклон, содержащий один вход и два выхода, два фильтра, расположенные соответственно перед приемными камерами эжекторов; при этом вход второго гидроциклона связан трубопроводом, содержащим регулирующий затвор, со скважным насосом и образует дополнительную подающую линию обрабатываемой воды для второго эжектора, первый выход второго гидроциклона с помощью трубопровода, содержащего запорный вентиль, связан через фильтр со вторым входом приемной камеры второго эжектора, а второй выход второго гидроциклона связан с дренажной системой с помощью трубопровода, содержащего запорный вентиль; кроме того, бак-реактор с помощью двух вертикальных перфорированных перегородок разделен на два отсека с образованием аэрационной колонны, при этом второй отсек содержит часть бака-реактора и образован меньшей вертикальной стороной бака-реактора, его верхней стороной, наклонным дном бака-реактора и второй вертикальной перфорированной перегородкой, при этом второй выход бака-реактора размещен во втором отсеке и служит для подачи обрабатываемой воды в бак-реактор и отвода обработанной воды потребителю; а аэрационная колонна образована эжекторной секцией и первым отсеком бака-реактора, образованным первой перфорированной перегородкой, большей вертикальной стороной бака-реактора, имеющего наклонное дно с отстойником, связанным с дренажной системой, при этом верхняя часть аэрационной колонны содержит соединенную с вытяжным вентилятором крышку, под которой расположены фильтр-картридж и отражающий экран куполообразной формы, кроме того, в верхней части аэрационной колонны навстречу друг другу размещены камеры смешения, выходные срезы которых расположены на расстоянии не менее 0,4 м друг от друга, при этом продольные оси камер смешения расположены на расстоянии не менее 0,2 м от верхней точки купола отражающего экрана и на расстоянии не менее 0,5 м от верхнего уровня воды в баке-реакторе, определяемом датчиком верхнего уровня воды; кроме того, насос выполнен циркуляционным и через трубопроводы, содержащие запорные вентили, соединен соответственно со вторым выходом бака-реактора и с подающей линией (см. патент RU на изобретение №2524601, C02F 9/02, опубл. в 2014 г.). Этот реактор использует процессы эжекционного диспергирования и взрывной кавитации, приводящие к увеличению площади контактов двух сред: воздуха и воды в зоне столкновения двух противоположно расположенных эжекторов.

Техническая проблема заключается в том, что используемые в настоящее время устройства для очистки воды имеют сложную конструкцию и при этом потребляют достаточно большое количество энергии на ее обработку.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи улучшения работы безреагентного реактора очистки воды и повышения его эффективности за счет двухступенчатого сжатия и ускорения водовоздушных струй перед их столкновением.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в безреагентном реакторе очистки воды, включающем камеру с двумя противоположно расположенными форсунками для подачи воды, оснащенными каналами подачи воздуха, зоной для отвода воздуха и пены, а также зоной для отвода воды, форсунки для подачи воды выполнены в виде конфузоров коноидального вида, при этом каналы для подачи воздуха расположены перед выходным каналом конфузоров и предназначены для эжектирования воздуха в струю воды, а камера снабжена двумя вертикальными колоннами, а также верхней опорой для вертикальных колонн, выполненной с отверстиями и расположенной в зоне отвода газов и пены, и нижней опорой для вертикальных колонн, выполненной с отверстиями и расположенной в зоне отвода воды, при этом колонны установлены с просветом между ними таким образом, чтобы выходные каналы двух противоположно расположенных конфузоров были размещены напротив этого просвета для подачи в него водовоздушных струй с двух сторон, формирования плоских струй, а также двухступенчатого сжатия и ускорения водовоздушных струй перед их столкновением. Опоры для колонн выполнены с возможностью регулирования просвета между колоннами. Колонны выполнены полыми и снабжены отверстиями, расположенными в нижней и верхней частях колонн над местом соударения.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично изображен безреагентный реактор очистки воды, вертикальное сечение. На фиг. 2 - то же, горизонтальное сечение. На фиг. 3 - то же, в изометрии.

Безреагентный реактор очистки воды содержит вертикально расположенную камеру 1, в которой размещены выходные концы двух форсунок 2, размещенных в боковых отверстиях камеры 1 напротив друг друга. К форсункам 2 подведены каналы 3 для подачи воды. Форсунки 2 выполнены в виде конфузоров коноидального вида с выходным каналом 4, связанных входной зоной с каналами 3. Выходные части конфузоров 4 выполнены с отверстиями для эжекционной подачи воздуха в проходящую внутри конфузора 4 водяную струю через воздушные каналы 5. Наружные каналы конфузоров 4 могут иметь ребра жесткости 6. Камера 1 оснащена двумя вертикальными колоннами 7 с просветом 8 между ними (см. фиг. 2), расположенными внутри камеры 1 таким образом, чтобы выходные концы двух конфузоров 4 располагались напротив этого просвета 8. Размеры просвета 8 между колоннами 7 и расстояние между выходными концами форсунок 2 выбирают опытным путем. Оптимальный размер просвета 8 равен половине диаметра выходного канала конфузора 4. Колонны 7 могут быть выполнены полыми, а также иметь ряд отверстий 9 в верхней и нижней зонах на своей поверхности для отвода пены и очищаемой воды. Камера 1 имеет зону 10 отвода газов и пены, и зону 11 отвода воды. Она оснащена верхней опорой 12 для колонн 7, расположенной в зоне 10, и нижней опорой 13 для колонн 7, расположенной в зоне 11. В опорах 12 и 13 закреплены колонны 7. Опоры 12 и 13 выполнены с отверстиями 14 и 15. Опоры 12 и 13 выполнены с возможностью регулирования просвета 8 между колоннами 7 (на рисунке не показано).

Безреагентный реактор очистки воды предназначен для применения в установках для очистки воды. В самом простом варианте, когда колонны 7 выполнены сплошными (на рисунке не показано), реактор работает следующим образом. Воду подают по каналам 3 к конфузорам 4 коноидального вида под давлением не менее 2 атмосфер, поскольку опытным путем установлено, что давление воды в каналах 3, обеспечивающее возникновение кавитационного кипящего слоя в реакторе должно составлять не менее 2 атмосфер. Конфузор 4 коноидального вида предназначен для создания зауженной высокоскоростной струи потока воды. Здесь происходит первый этап (ступень) сжатия и ускорения струи. Причем во внешний канал конфузоров 4 посредством каналов 5 подают либо атмосферный воздух, либо кислород, либо другие газы. Всасывание воздуха через каналы 5 происходит за счет возникновения эжекции, которая происходит на выходе потока воды из конфузора 2. Высокоскоростные струи воды захватывают воздух, создавая большое количество микропузырьков в потоке. Две встречные высокоскоростные струи водовоз душной смеси небольшого диаметра вначале попадают к колоннам 7 на их наружную поверхность, закругляющуюся к просвету 8 колонн 7. Струи воды, обтекая закругляющуюся поверхность колонн 7, ускоряются еще больше и устремляются к просвету 8. Здесь происходит второй этап (ступень) сжатия струи. Встречные потоки ускоряются, на большой скорости сталкиваются, и растекаются в две стороны, вверх и вниз вдоль колонн 7 за счет сужения потока при проходе внутрь просвета 8. Два плоскоструйных потока водовоздушной смеси сталкиваются в середине просвета 8 между колоннами 7 с большой относительной скоростью, в два раза превышающей скорость струи на выходе из каждого конфузора 4. При непрерывном сталкивании встречных потоков создается зона высокого давления непрерывного характера. Обтекаемые водовоздушной смесью колонны 7 в просвете 8 оказываются окруженными несколько вытянутой вдоль колонн, кавитационной зоной, заполненной движущимися пузырьками. Над этой зоной в полых колоннах 7 могут быть сделаны отверстия, для отвода кипящего слоя. По сути в этой зоне возникает искусственно сформированный кавитационный низкотемпературный кипящий слой - схлопывание и образование пузырьков воздуха и паровых каверн, перемешанных с потоком воды. Очищаемая вода характеризуется наличием кавитационных зародышей, то есть всякого рода неоднородностей в жидкости: твердых микрочастиц, микроскопических газовых пузырьков. При этом кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые в том числе разрушают гидратные оболочки ионов загрязнений. Возникает эффект суперкавитации. Происходят перекрестные химические реакции в условиях непрерывного сталкивания двух высокоскоростных плоских водовоздушных струй, в том числе идет окисление с использованием кислорода воздуха и продуктов разложения молекул воды. В этом процессе создаются условия для образования молекул нерастворимых в воде соединений. Также происходит массовая дегазация, в том числе и газообразных продуктов перекрестных реакций (углекислый газ, сероводород и др). Молекулы воды, их ионы и все загрязнения после соударения струй не сразу покидают ударную зону, пока они опускаются вниз или выталкиваются вверх, происходит многократное соударение всех частиц с непрерывными потоками водовоздушной смеси. При этом эффективность процесса образования и удаления нерастворимых соединений загрязнителя увеличивается многократно. Образовавшаяся пена непрерывно выталкивается вверх через отверстия 14 опоры 12, расположенной в зоне 10, а вода с образовавшейся взвесью стекает на дальнейшую фильтрацию через отверстия 15 опоры 13, расположенной в зоне 11.

Если использовать полые колонны 7 с отверстиями 9, то появляется дополнительная возможность для отвода вверх пены и газов, а вниз - частично очищенной воды. Причем отверстия 9 расположены выше и ниже зоны соприкосновения плоскоструйных водовоздушных потоков. Такое расположение обосновано тем, чтобы отверстия 9 не препятствовали вышеописанному процессу соударения струй.

Экспериментальные исследования безреагентного реактора очистки воды показали, что качество полученной питьевой воды достигается без использования реагентов (кроме кислорода из воздуха атмосферы и продуктов разложения воды). При давлении в 2 атмосферы подаваемой воды в конфузор 2 оптимальный размер просвета 8 между колоннами 7 составляет 5 мм при выходном диаметре канала конфузора 4 в 10 мм, т.е. составляет половину диаметра выходного отверстия коноидального конфузора 4. Благодаря совместному использованию двух встречно расположенных выходных каналов конфузоров 4 напротив просвета 8 между колоннами 7 достигается увеличение эффективности реактора без увеличения энергопотребления на создание зоны высокого давления непрерывного характера двух встречных соударяющихся потоков водовоздушной смеси с использованием эффекта суперкавитации, за счет двухступенчатого сжатия и ускорения водовоздушных струй перед их столкновением.

Заявленный безреагентный реактор очистки воды обеспечивает упрощение конструкции при уменьшении расхода энергии на обработку воды и повышении надежности ее работы. Реактор отличается простотой исполнения, экономичностью в работе и в обслуживании, имеет возможность безреагентной работы и отвечает всем экологическим стандартам.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в улучшении качества и эффективности очистки воды, упрощении средств очистки воды, уменьшении энергозатрат на очистку воды, повышении надежности работы реактора без использования реагентов с использованием эффекта суперкавитации за счет двухступенчатого сжатия и ускорения водовоздушных струй перед их столкновением.

Изобретение относится к компактным устройствам для очистки воды с получением питьевой воды с улучшенными биологическими и физическими свойствами, реактор может также применяться для доочистки в системах очистки сточных вод различного происхождения, а также использоваться в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и других областях. Реактор включает камеру с двумя противоположно расположенными форсунками для подачи воды, оснащенными каналами подачи воздуха, зоной для отвода воздуха и пены, а также зоной для отвода воды. Форсунки для подачи воды выполнены в виде конфузоров коноидального вида. Каналы для подачи воздуха расположены перед выходным каналом конфузоров и предназначены для эжектирования воздуха в струю воды. Камера снабжена двумя вертикальными колоннами, а также верхней опорой для вертикальных колонн, выполненной с отверстиями и расположенной в зоне отвода газов и пены, и нижней опорой для вертикальных колонн, выполненной с отверстиями и расположенной в зоне отвода воды. Колонны установлены с просветом между ними таким образом, чтобы выходные каналы двух противоположно расположенных конфузоров были размещены напротив этого просвета для подачи в него водовоздушных струй с двух сторон, формирования плоских струй, а также двухступенчатого сжатия и ускорения водовоздушных струй перед их столкновением. Технический результат: улучшение качества и эффективности очистки воды, упрощение конструкции, уменьшение энергозатрат на очистку воды, повышение надежности работы реактора без использования реагентов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Безреагентный реактор очистки воды, включающий камеру с двумя противоположно расположенными форсунками для подачи воды, оснащенными каналами подачи воздуха, зоной для отвода воздуха и пены, а также зоной для отвода воды, отличающийся тем, что форсунки для подачи воды выполнены в виде конфузоров коноидального вида, при этом каналы для подачи воздуха расположены перед выходным каналом конфузоров и предназначены для эжектирования воздуха в струю воды, а камера снабжена двумя вертикальными колоннами, а также верхней опорой для вертикальных колонн, выполненной с отверстиями и расположенной в зоне отвода газов и пены, и нижней опорой для вертикальных колонн, выполненной с отверстиями и расположенной в зоне отвода воды, при этом колонны установлены с просветом между ними таким образом, чтобы выходные каналы двух противоположно расположенных конфузоров были размещены напротив этого просвета для подачи в него водовоздушных струй с двух сторон, формирования плоских струй, а также двухступенчатого сжатия и ускорения водовоздушных струй перед их столкновением.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что опоры для колонн выполнены с возможностью регулирования просвета между колоннами.

3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что колонны выполнены полыми и снабжены отверстиями, расположенными в нижней и верхней частях колонн.