Віброкавітатор для знезараження та аерації води відкритих водойм

Реферат: Віброкавітатор для знезараження та активації води відкритих водойм містить резервуар із оброблюваною водою, вібропривід для збурення кавітації в оброблюваній воді, занурений у воду збурювач кавітації та систему подачі у воду повітря з камерою. Вібропривід виконано у формі електромагніта із котушкою обмотки та статором із сердечником з розміщеним вздовж його центральної осі отвором, виконаним із можливістю вільного проникання крізь нього труби подачі повітря в зону обробки, та пружно закріпленим якорем, до якого приєднані встановлений з можливістю здійснення коливань збурювач кавітації. UA 68549 U (54) ВІБРОКАВІТАТОР ДЛЯ ЗНЕЗАРАЖЕННЯ ТА АЕРАЦІЇ ВОДИ ВІДКРИТИХ ВОДОЙМ UA 68549 U UA 68549 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель на вібраційний кавітатор для знезараження та аерації належить до обладнання тваринницької, риболовної та переробної галузей сільського господарства і може бути застосована для якісної підготовки питної води для тварин та птиці, для біологічного знезараження та аерації води відкритих водойм риборозплідних господарств, водоочистки та водопідготовки підприємств переробки сільськогосподарської продукції тощо. Запропонований пристрій належить до групи обладнання фізико-хімічних методів кавітаційного ініціювання та активації окиснювально-відновлювальних реакцій у воді енергією сплескування великої кількості самозароджуваних в рідині кавітаційних бульбашок. Відомий пристрій для знезараження та активації води шляхом дії на рідину кавітаційним полем, збуреним гідродинамічним кавітатором. Енергія, необхідна для створення кавітації, в пристроях даного типу підводиться безпосередньо обертовим робочим органом (крильчатка, гвинт, ротор тощо). Гідродинамічний кавітатор складається з корпуса із завантажувальною, робочою та відвідною камерами, заповненими протічною оброблюваною рідиною. До корпуса приєднано осьовий насос, вал якого заведено в робочу камеру. На валу насоса жорстко закріплено крильчатку із лопатями, які мають гостру передню та тупу задню кромки [Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація у масообмінних, хімічних і біологічних процесах: монографія / Т.М. Вітенько. - Тернопіль, в-во ТДТУ ім. І. Пулюя, 2009.-224 с. (стор. 56, рис 1.24)]. При обертанні крильчатки у заповненій підлягаючою обробці рідиною проточній робочій камері на лопатях крильчатки із засмоктуючого боку утворюються газові каверни з фіксованою лінією відриву. В хвостовій частині каверни, в ділянці її замикання, формується велика кількість кавітаційних бульбашок (кавітаційне поле), які сплескують в проточній робочій камері, забезпечуючи відповідний вплив на технологічне середовище. Однак, гідродинамічна кавітація характеризується незначною інтенсивністю утворення кавітаційних бульбашок, а отже, і низькою ефективністю кавітаційного поля. Особливою мірою це проявляється у збідненій на розчинене повітря воді відкритих водойм, забрудненій мікроорганізмами, життєдіяльність яких супроводжується активним поглинанням розчиненого у воді кисню. Адже саме мікробульбашки розчинених у рідині газів, в тому числі і повітря, постають основними джерелами зародків кавітації і дегазація, тобто їх відсутність чи обмежена кількість, гальмує, а подекуди і унеможливлює, процес формування кавітаційного поля. Крім того, неодмінними складовими пристроїв для збурення гідродинамічної кавітації є рухомі в рідині вібруючі пластини або обертові лопаті, їх приводи рухів та перетворюючі механізми. Потреба у приводі обертового руху не тільки зумовлює значну енергозатратність гідродинамічного способу збурення кавітації, а і суттєво понижує надійність та довговічність реалізуючого його обладнання. Даному пристрою властива і дуже обмежена спроможність у регулюванні технологічних параметрів гідродинамічної кавітації, оскільки кавітаційний режим в рідині зароджується та існує у вузькому діапазоні тільки певних частот і швидкостей відносних механічних переміщень збурювачів (пластин чи лопатей). Відповідно цим зумовлені і обмеження можливостей у регулюванні кінцевої якості готового продукту, у даному випадку води. Відомий кавітаційно-магнітний пристрій для підготовки стічних та промислових вод, який містить заповнений оброблюваною рідиною нерухомий корпус із робочою камерою, оснащеною пружним елементом для надання оброблюваній рідині пульсацій від електромагнітного віброзбудника із статором з обмотками та якорем, і розміщений між нерухомим корпусом та робочою камерою охоплений магнітом збурювач кавітації для перетікання через нього оброблюваної рідини [Сілін Р.І., Баран Б.А., Гордєєв А.І. Властивості води та сучасні способи її очищення: монографія - Хмельницький: ХНУ 2009.-254 с. (Рис. 11.7, стор. 217)]. Тут оброблювана вода подається в корпус і при увімкненому електромагнітному віброзбуднику пружним елементом у вигляді мембрани втягується в робочу камеру. При наданому віброзбудником мембрані русі вверх вода через збурювач кавітації у вигляді циліндричних отворів з високою швидкістю проштовхується вверх, формуючи при цьому кавітаційні каверни. Сплескування каверн в робочій зоні формує кавітаційне поле, насичене самозароджуваними із наявних в рідині зародків кавітації кавітаційними бульбашками. При цьому, проходячи крізь збурювач кавітації у вигляді циліндричної втулки, охопленої магнітами, вода додатково піддається магнітній обробці. Сумарна дія гідрокавітації та магнітного поля енергетично впливає на структуру води, покращуючи її властивості. Як наслідок, під дією магнітного та кавітаційного полів ініціюються окиснювально-відновлювальні процеси в оброблюваній воді, зростає швидкість окисних реакцій, забезпечуючи в кінцевому її очищення. Певним обмеженням у застосуванні даного пристрою є незначна його продуктивність, зумовлена тим, що всю оброблювану воду необхідно пропомпувати крізь невеликі отвори-збурювачі кавітації. 1 UA 68549 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Практично це унеможливлює обробку проточної води у неперервному потоці, зводячи її до порційного дискретного, а отже, і малопродуктивного очищення. Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі є кавітаційний пристрій для освітлення та очистки стічної та ставкової води, який містить заповнений оброблюваною водою бак із зануреним у воду корпусом із циліндричним отвором-кавітатором для всмоктування та викиду води [Сілін Р.І., Баран Б.А., Гордєєв А.І. Властивості води та сучасні способи її очищення: монографія - Хмельницький: ХНУ 2009.-254 с. (Рис. 11.2, стор. 211)]. Верхня частина корпусу виконана у вигляді гумової мембрани, з'єднаної тягою із ексцентриковим приводом її коливань. До корпуса із коливною мембраною під'єднано систему подачі атмосферного повітря, яка включає з'єднувальний штуцер, трубопровід та піднятий над рівнем води і оснащений клапаном дросель. При переміщенні мембрани вверх оброблювана вода через отвір в корпусі всмоктується всередину нього. Одночасно через клапан дроселя системи подачі повітря всередину корпуса із атмосфери втягується порція повітря, формуючи у корпусі газорідинну суміш. При русі мембрани вниз газорідинна суміш із високою швидкістю під тиском проштовхується крізь отвір корпуса, збурюючи при цьому кавітаційне поле на виході із отвору. Вказані просторові переміщення мембрани здійснюються із високою частотою, насичуючи оброблювану воду в баці розчиненим у ній повітрям, тобто аеруючи її. Поряд з тим, утворене в баці кавітаційне поле, завдяки активному насиченню води радикалами ОН , що формуються внаслідок вивільненої при сплескуванні кавітаційних бульбашок енергії, забезпечує освітлення води, її очищення та покращення властивостей. Певним обмеженням у застосуванні даного пристрою для очищення стічної та ставкової води є низька його продуктивність, зумовлена необхідністю перепомповування великих обсягів оброблюваної води крізь єдиний, до того ж обмежений в діаметрі кавітаційний отвір. В основу корисної моделі поставлена задача створення пристрою для знезараження та аерації води відкритих водойм, у якому виготовленим у формі конічної поверхні збурювачам кавітації та пружному елементу приводу камери системи подачі повітря завдяки з'єднанню з якорем віброприводу забезпечуватиметься надання просторових коливань. Завдяки цьому даний віброкавітатор здійснюватиме знезаражувальну обробку та аерацію води у неперервному потоці із високою продуктивністю, що надає можливість його застосування для відкритих водойм. Поставлена задача вирішується тим, що у віброкавітаторі для знезараження та аерації води відкритих водойм, що містить резервуар із оброблюваною водою, вібропривід для збурення кавітації в оброблюваній воді та робочу зону із зануреним у воду збурювачем кавітації і системою підводу до неї повітря з камерою, згідно з корисною моделлю, вібропривід виконано у формі електромагніта із котушкою обмотки та набраним з листового заліза статором із сердечником з розміщеним вздовж його центральної осі отвором, крізь який вільно проходить труба подачі повітря в зону обробки, та пружно закріпленим якорем, до якого приєднані встановлений з можливістю здійснення коливань збурювач кавітації, виготовлений у формі конічної поверхні із перпендикулярною до рівня води віссю, та виконаний у формі мембрани пружний елемент приводу камери системи подачі повітря. Виготовлені у формі конусів приєднані до коливного якоря віброприводу занурені у воду збурювачі кавітації надають можливість розташувати на їх розгорнутій конічній поверхні велику кількість отворів для перетікання оброблюваної води. Кожен із цих отворів при перетіканні крізь них із високою швидкістю води постає осібним джерелом формування кавітаційних каверн, сплескування яких породжує лавиноподібний процес формоутворення із наявних у воді газових включень кавітаційних мікробульбашок, формуючи тим самим інтенсивне кавітаційне поле. Одночасно здійснювана при цьому подача в робочу зону повітря завдяки з'єднанню з коливним якорем мембрани приводу її системи не тільки забезпечує аерацію води, а і слугує джерелом формування газорідинної суміші, газові мікровключення якої постають зародками великої кількості кавітаційних мікробульбашок. В комплексі це забезпечує формування інтенсивного насиченого повітрям кавітаційного поля. При цьому, сумарною дією кавітаційного поля та насичення води повітрям підвищуватиметься відновлювальна здатність ініційованих окисних реакцій, водоочисних процесів та знезаражувальна дія, чим забезпечуватиметься висока якість води. Принципова схема віброкавітатора для знезараження та аерації води відкритих водойм зображена на кресленні. До його складу входять розміщена на встановленому на водоймі на торовому пневмобалоні 1 платформа 2 із центральним отвором для розташування віброприводу 3. Вібропривід складається із корпусу 4 з розміщеним всередині набраним із листового заліза статором 5, на осердя 6 якого жорстко закріплено котушку обмотки 7 приводу. Статор 5 із котушкою обмотки 7 формують електромагніт. До корпусу 4 на пружних елементах 8 2 UA 68549 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 із можливістю здійснення прямолінійних коливних рухів вздовж перпендикулярної рівню оброблюваної води осі прикріплено якір 9 віброприводу 3. До якоря 9 вздовж його вертикальної осі жорстко прикріплено пустотілу циліндричну трубу 10, яка одним кінцем вільно пронизує осердя статора 5 і центрується в корпусі 4 віброприводу 3 на підшипниках ковзання 11. Інший кінець труби 10 занурено у оброблювану воду. На зануреному у воду кінці пустотілої труби 10 закріплено виготовлені у формі конічної поверхні збурювачі кавітації 12 із отворами 13 для перетікання оброблюваної води, діаметри яких рівні амплітуді коливань якоря 9 віброприводу 3. Верхній кінець труби 10 жорстко з'єднано із пружною мембраною 14, яку герметично защемлено між корпусом 4 віброприводу 3 та корпусом 15 повітрозабірника. Замкнутий корпус 15 повітрозабірника з одного боку обмежено пружною мембраною 14, а з іншого в ньому розміщено кульковий впускний клапан 16 із з'єднаним з атмосферою конічним отвором 17, підпружиненою пружиною 18 розміщеною в конічному отворі кулькою 19 та регулювальним гвинтом 20. Аналогічний випускний клапан 21 розміщено всередині корпусу 15 повітрозабірника над мембраною 14 і з'єднано із трубою 10. Таким чином, система подачі повітря включає встановлений на корпусі 15 повітрозабірника впускний клапан 16, мембрану 14 приводу коливних рухів, випускний клапан 21 та занурену в оброблювану воду пустотілу трубу 10, її впускний клапан 16 з'єднано із атмосферою, випускний 21 - із трубою 10 і через її внутрішній отвір - із оброблюваною водою. Електроживлення на обмотку котушки 7 подається від встановленого на платформі 2 акумулятора 22 із тиристорною схемою керування частотою живлення електромагніта (АБ) та перетворювачем постійного струму на змінний (Пр), підзарядку якого періодично здійснюють або від стаціонарного зарядного пристрою, або від сонячної батареї (на кресленні не відображені). Для розміщення платформи 2 в належному для обробки води місці водойми служить кріпильний якір 24, який утримується за дно водойми, а в разі потреби за допомогою кріпильної линви 25, намотаної на бобіну 23, піднімається на платформу 2. Від потрапляння сторонніх предметів, намулу та бруду нижній кінець опущеної у воду труби 10 із конічними збурювачами кавітації 12 захищено захисною сіткою 26. Робота вібраційного кавітатора для знезараження та аерації води відкритих водойм здійснюється наступним чином. Наповнюють повітрям пневмобалон 1 до набуття платформою 2 плавучості і за допомогою плавального засобу відтранспортовують її до потрібної ділянки водойми із біологічно забрудненою чи збідненою на розчинений кисень водою. За допомогою опущеного на дно водойми кріпильного якоря 24 встановлюють платформу 2 в необхідному місці водойми і подають змінну напругу на обмотки котушки 7 віброприводу кавітатора. При подачі напруги на обмотку котушки 7 намагнічується листове залізо статора 5 і електромагніт, долаючи опір пружних елементів 8, притягує до статора 5 якір електромагніта 9. Разом із якорем 9 в напрямних підшипника ковзання 11 переміщаються вверх жорстко з'єднані з якорем труба 10, конічні збурювачі кавітації 12, мембрана 14 та впускний клапан 21. При від'ємному значенні синусоїди перемінної напруги живлення обмотки котушки 7 під дією сил пружності пружних елементів 8 якір 9 відштовхується від статора 5 і переміщається у крайнє нижнє положення. Як і при русі вверх, разом із якорем 9 переміщаються жорстко з'єднані з ним труба 10, конічні збурювачі кавітації 12, мембрана 14 та впускний клапан 21. При наступному циклі змінної напруги вказаний цикл зворотно-поступальних переміщень якоря 9 повторюється знову, утворюючи таким чином двомасну коливну систему або, так званий, вібропривід. Меншою за обсягом першою коливною робочою масою тут постають якір 9, труба 10, конічні збурювачі кавітації 12 та впускний клапан 21, другою масивною реактивною масою - платформа 2 із розміщеними на ній бобіною 23, акумулятором 22, корпусами віброприводу 4 та повітрозабірника 15, статором 5 із котушкою обмотки 7. Пружною системою, що з'єднує ці дві коливні маси, є пружні елементи 8, жорсткість яких для мінімальних енерговитрат розраховано на резонансний режим роботи. Частота коливань коливних мас віброприводу співпадає із частотою змінної напруги живлення, а амплітуда коливань обумовлена співвідношенням коливних мас, зазором між якорем 9 та статором 5 віброприводу та жорсткістю пружної системи 8. Амплітуду коливань робочої маси, куди входять і конічні збурювачі кавітації 12, призначають із діапазону 2-2,5 мм. При цьому при русі якоря 9 і з'єднаної з ним труби 10 вниз, разом з ними в крайнє нижнє положення переміщається і прикріплена до труби 10 середня частина мембрани 14 повітрозабірника 15. Всередині корпусу повітрозабірника 15 утворюється розрідження, під дією якого через впускний кульковий клапан 16 в повітрозабірник 15 із атмосфери всмоктується певна порція повітря. При русі якоря 9, труби 10 і мембрани 14 вверх підпружинена пружиною 18 кулька 19 впускного клапана 16 перекриває впускний отвір 17. Всередині корпусу повітрозабірника 15 утворюється надлишковий тиск, під дією якого повітря, долаючи опір 3 UA 68549 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 клапанної пружини 18 впускного клапана 21, переміщає кульку 19, відкриваючи тим самим впускний отвір клапана. Певна порція повітря проникає всередину випускного клапана 21, а з нього у внутрішню порожнину труби 10. Оскільки рекомендована частота коливань якоря 9 віброприводу знаходиться в межах 50-100 Гц, із такою ж частотою в трубу 10 з атмосфери напомповується повітря, трансформуючись у направлений повітряний струмінь, який через трубу 10 запомповується в оброблювану воду в робочу зону, де розміщені конічні збурювачі кавітації 12. Конічні збурювачі кавітації 12 жорстко з'єднані із трубою 10 і її вертикальні коливання передаються їм. Гострі кромки отворів 13 в конічній поверхні збурювачів кавітації 12 із швидкістю V=2Af=(2÷5) м/с, де А=2÷2,5 мм - амплітуда, f=50-100 Гц - частота їх коливань, перетинають потік оброблюваної води, збурюючи в ній кавітацію, яка супроводжується інтенсивним зародженням та подальшим схлопуванням у воді великої кількості кавітаційних мікробульбашок. Схлопування мікробульбашок супроводжується інтенсивним формуванням -сферичних імпульсних ударних мікрохвиль, утворенням хімічно активних радикалів ОН , взаємодія яких із наявними у воді шкідливими мікроорганізмами приводить до пошкодження їх оболонок, втрати репродуктивної здатності, до їх руйнування. Як наслідок, відбувається знезараження води, її освітлення, а завдяки супроводжуючому кавітаційну обробку насиченню води киснем, і покращення її споживчих властивостей. Після завершення знезараження та аерації води на даній ділянці водойми вібропривід знеструмлюють, піднімають з дна водойми фіксуючий платформу 2 кріпильний якір 24 і відтранспортовують її до іншої ділянки водойми із забрудненою стоячою водою, де цикл знезараження води повторюють в описаній вище послідовності. Продуктивність та якість знезаражувальної обробки води, при цьому, залежать від амплітуди та частоти коливань збурювачів кавітації 12, їх площі, кількості і площі розміщених на них перепускних отворів 13, кількості поданого в зону обробки повітрозбірником 15 повітря, потужності електромагніта приводу та часу обробки. Зміною цих параметрів і регулюють кількісні та якісні показники обробки води, тобто ступені її знезараження та аерації. Так при амплітуді А=2 мм, частоті f=50 Гц коливань, площі кожного з двох збурювачів кавітації Sк=0,05 2 2 м , площі кавітаційних отворів кожного з них S0=0,01 м щохвилинно крізь них перепомповується біля 100 літрів води, забезпечуючи при цьому загальну продуктивність знезараження в межах 6 3 м /год. При збільшенні тиристорною схемою керування частоти живлення електромагніта до 3 100 Гц вона зростає до 8-10 м /год. Перевагами даного віброкавітатора для знезараження та аерації води відкритих водойм порівняно із відомими є: - висока продуктивність, придатність для обробки значних обсягів води, в тому числі і на відкритих водоймах, завдяки наявності великої кількості перепускних кавітаційних отворів на поверхні збурювачів кавітації, перетікання крізь які із високою швидкістю води сприяє формуванню інтенсивного кавітаційного поля; - незалежна і одночасна із коливаннями конічних збурювачів кавітації високопродуктивна подача повітря в зону обробки забезпечує насичення оброблюваної води розчиненим повітрям та киснем, мікропухирці яких не тільки постають зародками кавітації, а і здійснюють аерацію води; - завдяки відсутності в запропонованому кавітаторі обертових та перетворюючих механізмів, автономного обладнання для подачі в зону обробки повітря він не тільки надійніший та довговічніший від відомих, а і значно енергоощадніший, а отже, і економічніший. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Віброкавітатор для знезараження та активації води відкритих водойм, що містить резервуар із оброблюваною водою, вібропривід для збурення кавітації в оброблюваній воді, занурений у воду збурювач кавітації та систему подачі у воду повітря з камерою, який відрізняється тим, що вібропривід виконано у формі електромагніта із котушкою обмотки та статором із сердечником з розміщеним вздовж його центральної осі отвором, виконаним із можливістю вільного проникання крізь нього труби подачі повітря в зону обробки, та пружно закріпленим якорем, до якого приєднані встановлений з можливістю здійснення коливань збурювач кавітації, виготовлений у формі конічної поверхні, та виконаний у формі мембрани пружний елемент приводу камери системи подачі повітря. 4 UA 68549 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5