CZ21713U1 - Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách - Google Patents

Description

Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách

Technické řešení se týká zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách nechemickou cestou, zejména pro čištění vody v nádržích, a to jak ve velkoplošných přírodních či umělých nádržích, tak v bazénech nebo ve velkokapacitních nádržích pro průmyslové využití, například v potravinářském průmyslu.

Dosavadní stav techniky

V současné době dochází k stále vyššímu stupni znečišťování vodních ploch mikroorganismy. Omezování rozvoje těchto mikroorganismů je realizováno ve většině případů chemickou cestou, a to pomocí biocidů. Tyto biocidy jsou buď širokospektrální, založené na organických antibiotikách, nebo na toxických kovech stříbra, mědi, bromu, nebo na oxidačním potenciálu chloru, bromu peroxosloučenin či ozonu. Chemické prostředky se vyvíjí tak, aby nezanechávaly rezidua toxická pro člověka nebo vodní a půdní organismy, ale jejich vývoj je finančně náročný a praxe ukazuje, že mikroorganismy jsou schopny získat k biocidům rezistenci.

Z tohoto pohledu mají fyzikální metody omezování rozvoje mikroorganismů podstatnou výhodu v tom, že poškodí buňky mikroorganismů, čímž znemožní jejich fyziologické funkce, růst a rozmnožování. Hlavní výhodou použití fyzikálních metod je, že na ně zatím nebyla nikdy pozorována rezistence, která v principu ani není možná. Z fyzikálních metod jsou pro omezení rozvoje mikroorganismů využívány principy elektroporace a elektromagnetických vln, ultrazvuku, mikrovlnného záření, infračervených vln, gamazáření nebo ultrafialového záření. Čištění vody v nádržích pomocí působení elektromagnetického poleje popsáno například ve spise CZ 14307 Ul. Ve spise WO 9714655 je popsáno zařízení, v němž je působeno elektrickým a magnetickým polem na proudící kapalinu, kde zdroj napájení je přizpůsobitelný proměnné délce, průměru a impedanci cívky. Tento systém se používá k odstraňování minerálních usazenin, tj. ke změkčování vody. Jeho nevýhodou je malý rozsah čisticích schopností, které jsou závislé na velikosti zařízení. Dalšími příklady použití působení magnetického pole na proud kapaliny jsou zařízení popsaná ve spisech WO 0226637 nebo CZ 13729 Ul.

Zařízení pracující na principu působeni magnetického pole na vodní proud je předmětem řešení dle spisu WO 9506007, kde je využito pole vznikající ve specifickém pyramidovém prostoru. Jeho nevýhodou je závislost účinnosti na fyzikálních a chemických vlastnostech vody a omezená rychlost průtoku čištěné vody. Zařízení dle spisu DE 19704747 pak využívá specificky usměrněných magnetických a elektrických polí v kruhovém průtočném válci, jímž protéká voda, na kterou se přímo působí pomocí soustavy cívek. Je zřejmé, že toto zařízení je pouze předstupeň skutečného čisticího modulu, ve kterém dochází k oddělování nečistot. Jedná se tedy o nekomplexní technické řešení s omezeným použitím.

Složitě uzpůsobenými elektrickými a magnetickými poli působí na vodu rovněž zařízení dle spisu US 4238326, které je však technicky komplikované, a tím výrobně náročné, přičemž jeho konstrukce vyžaduje pevné usazení a stabilitu. Jeho další nevýhodou je větší hydrodynamický odpor bránící průtoku vody, a s tím související usazování nečistot na dně nádoby. Zařízení tedy Částečně odděluje nečistoty pocházející ze sedimentace, ale pomíjí látky flokulující do vrchní části nádoby, odkud jsou tyto vyplavovány s upravenou vodou.

K fyzikálním metodám omezování rozvoje mikroorganismů v současné době rovněž patří i kavitace nebo její extrémní forma, tzv. superkavitace. Při kavitaci dochází ke vzniku dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku. Zařízení pro čištění kapalin jsou popsána například ve spisech JP 2002233895, US 6200486, CZ 296073, CZ 2005-454 Al, CZ 2005-592 Al a CZ 2005-746 Al. Tato zařízení využívají principu kavitace v kombinaci s ejektorem, kterým je zajištěno dávkování přídavných korekčních přípravků do oblasti vzniku kavitačních bublin. Dle spisu CZ 300592 je známo zařízení založené na ejektorovém efektu, kde kavitační trysky jsou umístěny na člunu Či jiném plavidle. Nevýhoda zmíněných řešení spočívá v tom, že přisávání dalšího média, například

-1 CZ 21713 Ul korekčních přípravků, do oblasti kavitace má za následek nižší účinnost čisticího procesu. Dle spisů DE 102007063062, EP 1975130 a JP 2008055369 jsou známá zařízení, ve kterých je vznik kavitace podmíněn rotačním pohybem mechanických částí, například disků, nebo lokálními víry vznikajícími ve složitě tvarovaných komorách. Další příklady konstrukcí kavitaČních trysek jsou popsány například ve spisech TW 255796 a JP 2002165549. Nevýhodou těchto řešení je absence využití ultrazvukové modulace v závislosti na průtoku kapaliny kavitační tryskou.

Konečně je známé řešení zařízení odstraňující sedimenty z kapaliny, které je popsáno ve spise JP 2004049938. Zařízení nepracuje s ultrazvukovou modulací a nemůže v něm tak vzniknout superkavitace. Ve spisech JP 2002126729, JP 2002126730, JP 2003126849 a JP 2003126850 jsou popsána řešení využívající kavitační trysky k likvidaci mikroorganismů v různých prostředích. V těchto spisech nejsou podrobně komentovány konstrukce kavitačních trysek a nevýhoda jejich provedení spočívá v tom, Že zařízení nejsou koncipována jako mobilní. Konstrukce kavitační trysky je v neposlední řadě známa ze spisu JP 2004057936, kde kavitační zóna vzniká v oblasti prostého lokálního zúžení průřezu trysky. Nevýhodou tohoto řešení je krátká kavitační zóna trysky a její malá účinnost. Neuvažuje se zde ani o ultrazvukové modulaci a ani o superkavitaci. Využití jevu superkavitace v kavitační trysce je popsáno ve spise US 2008029462, kde je kavitace dosaženo složitě tvarovanou komorou trysky opatřenou žebry, kterými je zajištěna rotace kapaliny v této trysce. Nevýhoda popsaného zařízení spočívá ve velmi krátké oblasti superkavitace a ve vysoké tvarové složitosti vnitřních prostor kavitační trysky.

Snahou předkládaného řešení je navrhnout takové zařízení, které by odstraňovalo nedostatky známých zařízení, využívalo všech výhod superkavitace a elektromagnetického pole a zároveň by umožňovalo efektivně likvidovat nežádoucí mikroorganismy v tekutinách, zejména ve vodách nádrží či jiných objektů, a to bez nepříznivého ovlivnění prostředí v okolí vodních ploch z ekologického hlediska. Rovněž je snahou umožnit využití zařízení v potravinářském průmyslu k zamezení růstu nežádoucích mikroorganismů v tekutinách, například v mléce, moštech a jiných tekutých nápojích či potravinách, kde není vhodné používat chemickou sterilaci nebo termickou cestu.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je do značné míry dosaženo technickým řešením, kterým je zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách, obsahující vzájemně sériově propojené vtokovou část, čerpadlo, minimálně jednu kavitační trubici a výtokovou část, jehož podstata spočívá v tom, že kavitační trubice je tvořena vzájemně na sebe navazujícími nátokovou komorou, alespoň jednou pracovní komorou a výtokovou komorou, kde přechod mezi nátokovou komorou a pracovní komorou je pomocí konfuzoru a přechod mezi pracovní komorou a výtokovou komorou pomocí difuzoru, přičemž kavitační trubice je řešena tak, že výsledný průtokový součinitel (Kv) kapaliny mezi vstupním průřezem nátokové komory a výstupním průřezem výtokové komory vypočtený ze vztahu

K_v = 36000 0 pÁ - pB je menší alespoň o 15 % vůči průtokovému součiniteli (K_v) kapaliny v bezkavitačním režimu a hodnota vrcholového úhlu (a) stěn difuzoru (34) odpovídá vztahu a>7°.

Ve výhodném provedení zařízení jsou tvary průřezů konstrukčních prvků kavitační trubice kruhové nebo čtvercové nebo obdélníkové či mnohoúhelníkové, přičemž v jedné kavitační trubici mohou být průřezy vzájemně kombinovány. Rovněž je výhodné, když kavitační trubice obsahují více pracovních komor řazených v sérii a když průřezy pracovních komor, stejně tak jako parametry navazujících konfuzorů a difuzoru nejsou shodné. Konečně je výhodné, když zařízení

-2CZ 21713 Ul obsahuje dvě a více kavitačních trubic zapojených na spojovací potrubí paralelně nebo když kavitační trubice obsahuje vložku zařazenou do nátokové komory a opatřenou tvarovanými žebry. Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je základní blokové konstrukční schéma zařízení, obr. 2 je detailní boční pohled na kavitační trubici ze zařízení z obr. 1, obr. 3 je boční pohled na možné provedení sériově řazených kavitačních trubic, obr. 4 je boční pohled na možné provedení paralelně řazených kavitačních trubic, i o obr. 5a je boční pohled na alternativní provedení kavitační trubice opatřené vložkou, obr. 5b je příčný řez vložkou kavitační trubice z obr. 5a, obr. 6 je boční pohled na alternativní provedení kavitační trubice doplněné o magnet, obr. 7a je půdorysný pohled na plavidlo opatřené zařízením pro likvidaci mikroorganismů, obr. 7b je bokorysný pohled na plavidlo z obr. 7a.

Výkresy, které znázorňují technické řešení, a následně popsané příklady konkrétních provedení, v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách sestává v základním provedení znázorněném na obr. 1 ze vzájemně sériově propojených vtokové části i, čerpadla 2, kavitační trubice 2, filtru 4 a výtokové části 5, kde tyto konstrukční členy mohou dle typu zařízení propojeny přímo anebo pomocí spojovacích potrubí 6· Kavitační trubice 3 je tvořena vzájemně na sebe navazujícími válcovou nátokovou komorou 31, konťuzorem 32 ve tvaru komolého kužele, válcovou pracovní komorou 33, difuzorem 34 ve tvaru komolého kužele a válcovou výrokovou komorou 35, jak ie patrné z obr. 2.

Kavitační trubice 3 je konstruována tak, aby výsledný průtokový součinitel Ky kapaliny mezi vstupním průřezem 311 nátokové komory 31 a výstupním průřezem 351 výtokové komory 35, tedy mezi body A a B na obr. 2, vypočtený ze vztahu

K_y = 36000Q\P^A -ρβ kde -Q je průtok (m^s¹)

- p_A je tlak kapalíny v bodě A (kPa)

-Pb je tlak kapaliny v bodě B (kPa)

- p je hustota kapaliny (kg.m'³) byl menší alespoň o 15 % vůči průtokovému součiniteli Ky kapaliny v bezkavitačním režimu, přičemž hodnota vrcholového úhlu a stěn difuzoru 34 odpovídá vztahu a>7°.

Čisticí proces u zařízení v základním provedení probíhá tak, že vtoková část 1 zařízení, například 40 sací hubice, se ponoří do neznázoměné nádrže, odkud je čerpadlem 2 kapalina vháněna do kavitační trubice 3, u níž je nátoková komora 31 navržena tak, aby v ní neklesl tlak pod hodnotu tlaku nasycených par. Z nátokové komory 31 je kapalina vedena do konfuzoru 32, kde dochází k podstatnému zvýšení její rychlosti a současně k poklesu tlaku, a to pod tlak nasycených par. V tomto okamžiku se začínají v konfuzoru 32 objevovat první kavitační bublinky, které postupují vysokou rychlostí pracovní komorou 33 do difuzoru 34. V difuzoru 34 dojde v důsledku odtržení mezní

-3CZ 21713 Ul vrstvy k dalšímu snížení tlaku a podstatnému rozšíření kavitační zóny, která vyplní v podstatě celý prostor difuzoru 34. V tomto prostoru dochází ke vzniku kavitafiního mraku ke vzniku tzv. superkavitace, která způsobí kolaps kavitačních bublin na ultrazvukové frekvenci řádově 20 kHz, pokud je splněna podmínka pro hodnotu průtokového součinitele K_Y kapaliny a podmínka pro odtržení mezní vrstvy, tedy kdy vrcholový úhel a stěn difuzoru 34 má hodnotu a > 7°. V důsledku prudkých stavových změn kapaliny jsou v pracovní komoře 33 a v difuzoru 24 vytvořeny podmínky pro dezintegraci buněčných stěn a organel mikroorganismů, což neumožní jejích další přežití. Ve filtru 4 jsou pak zachytávány mrtvé mikroorganismy a z výtokové části 5 zařízení proudí vyčištěná kapalina. Při hodnotách poklesu průtokového součinitele K_Y méně než o 15 % ío oproti hodnotám v bezkavitaČnímu režimu nedochází k odtržení mezní vrstvy, nedosáhne se ultrazvukové modulace a kolaps kavitačních bublin nastane na výrazně nižších frekvencích a amplitudách zrychleni, což má za následek značné snížení účinnosti celého zařízení.

Popsaná konstrukce není jediným možným provedením zařízení podle technického řešení, ale bez vlivu na jeho podstatu mohou být tvary průřezů prvků 31. 32, 33, 34. 35 kavitační trubice 3 v podstatě libovolné, například kruhové čtvercové, obdélníkové Či mnohoúhelníkové. V jedné kavitační trubici 3 mohou být rovněž vzájemně kombinovány kruhové a obdélníkové průřezy za podmínek zachování minimálních hydraulických ztrát a podmínek vzniku superkavitace na ultrazvukové frekvenci a odtržení mezní vrstvy. Pro zajištění vyšších účinků likvidace mikroorganismů mohou být vytvářeny kavitační trubice 2 s více pracovními komorami 22 řazenými v sérii, přičemž průřezy těchto pracovních komor 33, stejně tak parametry navazujících konfuzorů 32 a diťuzorů 24 nemusí být shodné, jak je znázorněno na obr. 3. Do zařízení je rovněž možno zařadit více kavitačních trubic 2, zapojených na spojovací potrubí 6 paralelně, jak je naznačeno na obr. 4, přičemž počet takto spojených kavitačních trubic 2 není limitován.

Účinek kavitace v zařízení je možno ještě zesílit vložkou 26 zařazenou do nátokové komory 21 a opatřenou tvarovanými Žebry 261, převádějícími axiální pohyb kapaliny na částečně rotační, jak je patrné z obr. 5a a obr. 5b. U tohoto provedení dojde k poklesu tlaku pod tlak nasycených par při nižší střední rychlosti kapaliny než u základních provedení kavitačních trubic 3, samozřejmě pak při zachování podmínek vzniku superkavitace na ultrazvukové frekvenci a odtržení mezní vrstvy.

Intenzitu účinku kavitace na mikroorganismy je možno zesílit současným využitím magnetickým prstencem 7, tvořeným buď permanentním magnetem nebo elektromagnetem, umístěným nad výtokovou komorou 35 kavitační trubice 3, jak je znázorněno na obr. 6. Zde je využito faktu, že kapalina proudící kavitační trubicí 3 je nositelem elektrického náboje, tedy vodičem pohybujícím se v magnetickém poli. Velikost elektromagnetické indukce je ovlivněna rychlostí pohybu kapa35 liny a při kolapsu kavitačních bublin na frekvenci 20 kHz dojde ke skokové změně této indukce a nárůstu elektromotorického napětí v kavitační zóně, které zesiluje negativní vliv na mikroorganismy.

Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách může být s výhodou využito i pro čistění vody na velkoplošných nádržích. V tomto případě je zařízení umístěno na plavidle 8, jak je zná40 zorněno na obr. 7a a 7b. Vtokové části I ve formě sacích trubic jsou zaústěny těsně po hladinou vody a pomocí čerpadla 2 je nasávána směs mikroorganismů, například sinic, a tato je pomocí spojovacích potrubí 6 ve formě hadic vedena do neznázoměných kavitačních trubic 2» v nichž jsou mikroorganismy likvidovány, a z nich do výtokových částí 5. Směs vytékající z výtokových Částí 5 pak působí reaktivním účinkem na plavidlo $ a uvádí jej do pohybu. Pomocí natáčení vto45 kových částí I a výtokových částí 5 lze pak korigovat rychlost pohybu plavidla 8.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách dle předkládaného technického řešení je využitelné především pro kontrolu rozvoje bakterií, sinic, řas, mikromycét, aktinomycét a rovněž zooplanktonu v otevřených nádržích nebo přírodních plochách. Také není vyloučeno jeho použití k Čištění bazénů, úpravě pitné vody nebo v potravinářském průmyslu k zamezení růstu nežádou-4CZ 21713 Ul cích mikroorganismů v moštech, mléce a v dalších tekutých nápojích či tekutých potravinách, kde není vhodné použít sterilaci chemickou nebo termickou cestou.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách, obsahující vzájemně sériově propo5 jené vtokovou část (1), čerpadlo (2), minimálně jednu kavitační trubici (3) a výtokovou část (5), vyznačující se tím, že kavitační trubice (3) je tvořena vzájemně na sebe navazujícími nátokovou komorou (31), alespoň jednou pracovní komorou (33) a výtokovou komorou (35), kde přechod mezi nátokovou komorou (31) a pracovní komorou (33) je pomocí konťuzoru (32) a přechod mezi pracovní komorou (33) a výtokovou komorou (35) pomocí difuzoru (34), přičemž to kavitační trubice (3) je řešena tak, že výsledný průtokový součinitel (K_v) kapaliny mezi vstupním průřezem (311) nátokové komory (31) a výstupním průřezem (351) výtokové komory (35) vypočtený ze vztahu

   K_v = 36000 0 i~pe ts je menší alespoň o 15 % vůči průtokovému součiniteli (Kv) kapaliny v bezkavitačním režimu a hodnota vrcholového úhlu (a) stěn difuzoru (34) odpovídá vztahu a >7°.
2. 2. Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách podle nároku 1, vyznačující se tím, že tvary průřezů konstrukčních prvků (31, 32, 33, 34, 35) kavitační trubice (3) jsou

   20 kruhové nebo čtvercové nebo obdélníkové či mnohoúhelníkové, přičemž v jedné kavitační trubici (3) mohou být průřezy vzájemně kombinovány.
3. 3. Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách podle nároků 1 a 2, vyznačující se t í m, že kavitační trubice (3) obsahují více pracovních komor (33) řazených v sérii.
4. 4. Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách podle nároku 3, vyznačující

   25 s e t í m, že průřezy pracovních komor (33), stejně tak jako parametry navazujících konfuzorů (32) a difuzoru (34) nejsou shodné.
5. 5. Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách podle nároků la2, vyznačující se tím, že obsahuje dvě a více kavitačních trubic (3) zapojených na spojovací potrubí (6) paralelně.

   30 6. Zařízení pro likvidaci mikroorganismů v tekutinách podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, Že kavitační trubice (3) obsahuje vložku (36) zařazenou do nátokové komoiy (31) a opatřenou tvarovanými žebry (361).