Патент на изобретение №2357931

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХОЛОДНОГО ОПРЕСНЕНИЯ, АКТИВАЦИИ И ОЧИСТКИ ВОДЫ ИЗ ЛЮБОГО ПРИРОДНОГО ИСТОЧНИКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области обработки воды из природных источников и может быть использовано при опреснении морской воды. Устройство состоит из последовательно расположенных и соединенных трубопроводами возбудителя воды 1, в котором создаются электромагнитные поля с наложением импульсного СВЧ-поля, струйного аппарата 8 с эжектором 9, в котором поток воды диспергируется и смешивается с подаваемым озоном, гидродинамического кавитатора 15, в котором под действием электрического разряда происходят расщепление воды и разделение на чистую воду и примеси. После гидродинамического кавитатора в устройстве расположены сепаратор-лабиринт 19, типовые пористые фильтры 21, 22 и блок тонкой очистки 24, включающий дисковую центрифугу 27 и электростатический сепаратор 28. Устройство также содержит генератор озона, подающий озон в струйный аппарат 8, гидромеханический кавитатор 15, блок тонкой очистки 24 и источник питания с высоковольтным генератором импульсных напряжений и тока. Технический результат – повышение эффективности распыления воды, последующего озонирования и выделения примесей. 1 ил.

Изобретение относится к области обработки воды из любого природного источника, в частности морской воды, и может быть использовано при опреснении.

Известны и в настоящее время применяются в мировой практике следующие методы опреснения и очистки воды: дистилляция, обратный осмос и электрофорез. Дистилляция требует непомерно больших затрат энергии (до 500 кВт·ч/м³), высоких температур и громоздкого оборудования, методы электрофореза все меньше используются из-за громоздкого оборудования, быстрого выхода из строя фильтрующих элементов и повышенного энергопотребления.

Известно устройство для холодного опреснения горько-соленых вод, содержащее источник распыла исходной воды (далее ИВ) под регулируемым давлением, генератор озона, систему барботажа и контур озонолиза, аппаратуру отстоя и регулирования ионного числа (патент РФ 2136600). Однако этот метод позволяет очищать воду при суммарной концентрации солей в ИВ только до 5 г/л, имеет низкий КПД, громоздкое оборудование (высота реактора более 5 м при диаметре около 0,7 м) и требует специфичного оборудования.

Известно устройство для обработки жидких и/или газообразных сред, в котором внутри реактора размещен электрод, подключенный к положительному полюсу высоковольтного источника питания и создающий сильно неоднородное электрическое поле (патент РФ 2093699). Обработкой жидких сред электрическим разрядом при малых затратах энергии (до 1 Дж) можно интенсивно разлагать и/или расщеплять жидкости на составляющие в зависимости от потенциала ионизации (сродства к электрону), диэлектрической проницаемости (максимально допустимой величины избыточного заряда) и электропроводности (зависимости от скорости приобретения избыточного заряда).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является изобретение по патенту РФ 2284966 – ближайший аналог. Устройство реализует многократное дробное озонирование ИВ малыми порциями озона или озоносодержащего газа в импульсных электромагнитных полях с наносекундными фронтами. Устройство выполнено в виде блоков: в первом – в возбудителе, струйном аппарате с эжектором и озонаторе образуется парогазовая смесь. Во втором блоке водный раствор обрабатывают в гидромеханическом кавитаторе и электродинамическом флотаторе. Фильтрацию осуществляют в третьем блоке – последовательно установленных многорядовом и молекулярно-магнитных фильтрах с получением технической воды. Последняя подвергается тонкой очистке в четвертом блоке – центрифуге, установленной в электромагнитном поле с напряженностью не меньше 20,5 кВ, и по меньшей мере в двух электростатических сепараторах. Устройство содержит также ионизатор для получения медицинской и питьевой воды и дистиллятор.

Недостатком прототипа является недостаточная эффективность распыла ИВ в струйном аппарате, гидромеханическом кавитаторе и сепараторах, вследствие этого и недостаточная эффективность последующего озонирования. Патентуемое изобретение устраняет этот недостаток.

Патентуемое устройство для холодного опреснения, активации и очистки воды содержит генератор озона, источник питания с высоковольтным генератором импульсных напряжений и тока, и расположенные последовательно соединенные трубопроводами возбудитель воды в электромагнитных полях с наложением импульсного СВЧ-поля, струйный аппарат с эжектором, гидромеханический кавитатор с наложением электрического разряда, сепараторы, фильтры и блок тонкой очистки на основе дисковой центрифуги и электростатического сепаратора.

Струйный аппарат с эжектором имеет корпус из диэлектрика, входное сопло в виде сопла Лаваля из металла, которое заземлено, и последовательно по потоку размещенную крышку с отверстиями, образующими аэродинамическую решетку и раструб, являющийся высоковольтным электродом. На корпусе из диэлектрика гидромеханического кавитатора размещен электрод в форме обечайки, внутри корпуса – сопло Лаваля, по центру которого установлен конический обтекатель, ободок которого образует с установленной в критическом сечении сопла обечайкой разрядный промежуток, причем за критическим сечением корпус из диэлектрика имеет отверстия и цилиндрические карманы для отвода отделенных примесей.

Выход кавитатора связан с трубой, внутренний объем которой представляет собой лабиринт и разделен плоскими, установленными по винтовой линии дискообразными диафрагмами с перфорацией, образующими импульсный электрический сепаратор.

Блок тонкой очистки на основе дисковой центрифуги и электростатического сепаратора имеет цилиндрический корпус, крышку из диэлектрика с установленным в ней заземленным валом центрифуги с коронирующими дисками, окруженным состыкованным с дном перфорированным электродом в форме усеченного конуса-воронки, между которым и корпусом установлен перфорированный цилиндрический электрод, разделяющий рабочий объем на две полости, имеющие сливные патрубки.

Электрод распылителя струйного аппарата, ввод обечайки, дискообразные диафрагмы с перфорацией импульсного электрического сепаратора и перфорированные электроды блока тонкой очистки подсоединены к выводу отрицательного потенциала высоковольтного генератора импульсных напряжений и тока с независимой регулировкой напряжения, тока и скважности между импульсами, а генератор озона – к входам для озоносодержащего газа струйного аппарата, гидромеханического кавитатора и блока тонкой очистки.

Технический результат изобретения – повышение эффективности распыла исходной воды в струйном аппарате, гидромеханическом кавитаторе и сепараторах и, как следствие, повышение эффективности последующего озонирования и выделения примесей.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой устройства для холодного опреснения и очистки воды, показанной на чертеже.

Устройство содержит возбудитель 1, на вход которого с помощью насоса 2 подается вода из любого природного источника. Используется типовой водяной насос заданного расхода при напоре не менее 0,8 МПа. Возбудитель 1 выполнен из диэлектрической трубы 3 со встроенными парами электродов 4, на которые подаются, с возможностью плавной регулировки, постоянное и переменное напряжение от источника 5 питания. Источник 5 имеет пульт управления и включает высоковольтный генератор 7 импульсных напряжений и тока с независимой регулировкой напряжения, тока и скважности между импульсами. Электроды 4 образуют скрещенное электромагнитное поле.

Труба 3 выполняется, например, из винипласта или полиэтилена высокого давления с толщиной стенки не менее 10 мм. На наружной поверхности трубы 3 расположен индуктор 6, подключенный к генератору 7 тока с независимой регулировкой выходного напряжения и тока для наведения импульсного СВЧ-поля. Генератором 7 может являться кабельный генератор наносекундных импульсов тока.

Выход возбудителя 1 связан с входом струйного аппарата 8 через эжектор 9 входного сопла 10 Лаваля, которое заканчивается крышкой 11 с рядом отверстий 12 – сопел Лаваля с заданной зоной перфорационных сечений, образующих аэродинамическую решетку. С помощью крышки 11 регулируется распыление воды соплом 10.

Сопло 10 выполнено из металла, например нержавеющей стали, и заземлено. Корпус аппарата 8 изготавливается из диэлектрика, например из полиамида 6М, поверхность которого практически не смачивается водой. Внутренняя полость сопла 10 связана с генератором 13 озона. Он включает генератор кислорода, воздушный фильтр и компрессор. Раструб 14 струйного аппарата 8 является высоковольтным электродом распылителя и соединен с положительным полюсом генератора 7 тока. Генератор 13 озона также соединен с генератором 7 тока.

Выход струйного аппарата 8 напрямую связан с входом электрогидродинамического кавитатора 15. Корпус кавитатора 15 выполнен из диэлектрика, а в критическом сечении сопла Лаваля установлен металлический электрод-обечайка 16, подсоединенный к высоковольтному вводу генератора 7 тока.

По центру сопла Лаваля 16 установлен конический обтекатель 17, ободок которого 18 образует с обечайкой сопла 16-разрядный промежуток, обечайка 16 через высоковольтный ввод связана с выводом отрицательного потенциала источника 5. Корпус кавитатора 15 имеет за критическим сечением отверстия и цилиндрические карманы для отвода части отделенных примесей. Выход кавитатора 15 связан с входом лабиринта, образованного в корпусе 19.

Корпус 19 импульсного электрического сепаратора представляет собой трубу, внутренний объем которой разделен плоскими дискообразными диафрагмами 20 с перфорацией, образующими лабиринт. Диафрагмы 20 подсоединены к генератору 7 тока. Лабиринт 19 связан с генератором 13 озона. Диафрагмы 20 установлены по винтовой линии, что обеспечивает увеличение времени прохождения рабочей среды в два-три раза.

Выход лабиринта 20 связан с типовым пористым фильтром 21 или несколькими гравитационными адсорбирующими фильтрами 21′. Трубчатый гравитационный многорядовый фильтр 22 предназначен для удаления полученных при очистке воды осадков. Выход фильтров технической воды через насос 23 связан с входом электрогидродинамического сепаратора 24.

Сепаратор 24 имеет цилиндрический корпус, закрытый крышкой из диэлектрика. На крышке размещен электромотор 25, на валу 26, который заземлен и расположен внутри сепаратора, размещен диск 27 центрифуги (или несколько дисков), которые окружены перфорированным электродом 28, который может быть сетчатым, в виде усеченного конуса-воронки, состыкованного снизу с цилиндрическим корпусом сепаратора. Электрод 28 через ввод на крышке связан с выводом отрицательного потенциала генератора 7. На крышке также расположен ввод 29 озоносодержащего газа, а на входе сепаратора 24 установлен ввод 30 системы подачи воды (распылитель).

Между электродом 28 и корпусом сепаратора 24 установлены один или более вспомогательных перфорированных электродов (не показаны). Вблизи стенки сепаратора расположен также перфорированный цилиндрический электрод 28′, разделяющий рабочий объем на две полости. За электродом 28′ для отбора полностью очищенной питьевой воды (обозначено ПВ, АВ) вблизи днища расположен карман с патрубком 31. На днище имеются патрубки для отвода технической воды (ТВ) и примесей. Подача не полностью очищенной воды в возбудитель 1 осуществляется по трубопроводу посредством насоса 23′.

Устройство функционирует следующим образом.

Воду из источника закачивают насосом 2 в возбудитель 1, в котором происходит возбуждение молекул воды в скрещенных электромагнитных полях с наложением импульсного СВЧ-поля. В результате такой комбинации полей, кроме воздействия на молекулы воды, в рабочем объеме возбудителя 1 создаются акустические волны с регулируемой амплитудой и частотой, что позволяет влиять на колебательные процессы кластеров ИВ и даже частично разрушать их.

Подготовленная таким образом ИВ поступает в струйный аппарат 8 через эжектор 9 на входное сопло 10 Лаваля, обеспечивающее резкое повышение скорости истечения воды, а аэродинамическая решетка способствует распылению потока. Вследствие возникающего эффекта эжекции в исходящий из сопла 10 распыленный поток воды от генератора 13 озона подается озоносодержащий газ. Для осуществления подмикронного диспергирования между торцом сопла 10 и раструбом 14 струйного аппарата 8 создают электрическое поле напряженностью до 2,5 кВ/см положительного потенциала. Напряженность поля и скорость истечения озоносодержащего газа регулируются.

Из струйного аппарата 8 двухфазная среда поступает на вход электрогидродинамического кавитатора 15, в котором происходят расщепление воды и разделение на отдельные фазы чистой воды и примесей.

К электроду-обечайке 16 через высоковольтный ввод подводится отрицательный потенциал, в 3-5 раз превышающий потенциал пробоя для данной среды и конфигурации электрического поля. В результате между этими электродами возникает искровой пробой, который является источником ударных волн в полости кавитатора 15.

Вода с пониженной концентрацией примесей, которые не успевают при выбранных параметрах покинуть основной поток, поступает в корпус 19 на вход лабиринта, куда также подается озоносодержащий газ из генератора 13 озона. Лабиринт увеличивает время контакта воды и газа в два-три раза, кроме того, обеспечивается удаление примесей через отверстия в стенках лабиринта. Полученная таким образом вода с избытком озоносодержащего газа поступает в типовой пористый фильтр 21 или ряд гравитационных и адсорбирующих фильтров 22 для отделения основной массы солей и органических примесей от водяного потока. Эти фильтры применяются, практически, на всех морских и подводных судах.

Получаемый из этих фильтров осадок в виде геля органических соединений и насыщенного раствора солей и гидроокислов удаляется через патрубки фильтров самотеком. На выходе из фильтров 21, 21′ получается вода, отвечающая требованиям технической воды для промышленного использования, аналогичная воде из установок обратного осмоса. Введение в технологическую цепь обратной связи – подачи частично обработанной воды посредством насоса 23′ на вход возбудителя 1 – полностью снимает ограничение по засоленности более 30 г/л.

Для получения питьевой воды высшего качества или активной воды техническую воду под давлением 0,45 МПа подают в сепаратор 24 через ввод 30 системы подачи воды, который обеспечивает ее распыление. Вращающийся диск 27 сепаратора распыляет воду на микронного размера капли. Одновременно между диском 27 и окружающим его перфорированным электродом 28 создают электромагнитное поле, обеспечивающее приобретение каплями избыточного электрического заряда. На заряженные капли воды будут действовать гравитационные и электрические силы. Капли могут состоять из чистой воды и воды с повышенным содержанием тех или иных примесей. Электрические поля в промежутках между основным и вспомогательными электродами подбираются экспериментальным путем так, чтобы только капли с заданными значениями pH, электропроводности, диэлектрической проницаемости и ионного числа могли достигать стенки сепаратора. Остальные отсеиваются в межэлектродных промежутках. На выходе из сепаратора 24 получается вода высшего качества.

При необходимости получить активную воду с содержанием кислорода более 20 мг/л в сепаратор подают увеличенное количество озоносодержащего газа с одновременным изменением напряжения на электродах.

Способ экологически чист, работает по замкнутому циклу и не требует возврата большого количества рапы с повышенным содержанием солей в окружающую среду. Для работы требуются только воздух и электроэнергия, а продуктами являются чистая вода, а также пригодные для дальнейшей переработки соли и гель органических веществ.

Устройство реализуется в компактных установках в стационарных и в мобильных вариантах, позволяет обеспечивать требуемые мощности очистки и опреснения воды наращиванием числа модулей.

Формула изобретения

Устройство для холодного опреснения, активации и очистки воды, содержащее генератор озона, источник питания с высоковольтным генератором импульсных напряжений и тока и расположенные последовательно и соединенные трубопроводами возбудитель воды в электромагнитных полях с наложением импульсного СВЧ-поля, струйный аппарат с эжектором, гидромеханический кавитатор с наложением электрического разряда, сепараторы, фильтры и блок тонкой очистки на основе дисковой центрифуги и электростатического сепаратора, отличающееся тем, что
струйный аппарат с эжектором имеет корпус из диэлектрика, входное сопло в виде сопла Лаваля из металла, которое заземлено, и последовательно по потоку размещенные крышку с отверстиями, образующими аэродинамическую решетку, и раструб, соединенный с высоковольтным электродом,
на корпусе из диэлектрика гидромеханического кавитатора размещен электрод в форме обечайки, внутри корпуса – сопло Лаваля, по центру которого установлен конический обтекатель, ободок которого образует с установленной в критическом сечении сопла обечайкой разрядный промежуток, причем за критическим сечением корпус из диэлектрика имеет отверстия и цилиндрические карманы для отвода отдельных примесей,
выход кавитатора связан с трубой, внутренний объем которой представляет лабиринт и разделен плоскими, установленными по винтовой линии дискообразными диафрагмами с перфорацией, образующими импульсный электрический сепаратор, при этом
блок тонкой очистки на основе дисковой центрифуги и электростатического сепаратора имеет цилиндрический корпус, крышку из диэлектрика с установленными в ней заземленным валом центрифуги с коронирующими дисками, окруженным состыкованным с дном перфорированным электродом в форме усеченного конуса-воронки, между которым и корпусом установлен перфорированный цилиндрический электрод, разделяющий рабочий объем на две полости, имеющие сливные патрубки,
причем электрод распылителя струйного аппарата, ввод обечайки, дискообразные диафрагмы с перфорацией импульсного электрического сепаратора и перфорированные электроды блока тонкой очистки подсоединены к выводу отрицательного потенциала высоковольтного генератора импульсных напряжений и тока с независимой регулировкой напряжения, тока и скважности между импульсами, а генератор озона – к входам подачи озоносодержащего газа струйного аппарата, гидромеханического кавитатора и блока тонкой очистки.

РИСУНКИ