RU2787823C1 - Система ввода газа для оптимизации формирования нанопузырьков в дезинфицирующем растворе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системе оптимизации формирования газовых нанопузырьков в растворе и может быть использовано для дезинфицирования масс воды, воздуха, медицинского оборудования, а также для стерилизации фруктов, овощей и других скоропортящихся продуктов. Система содержит: центробежный насос, содержащий смесительную камеру, для перемещения жидкости из резервуара в резервуар высокого давления; источник газа для ввода первого количества газа в указанную жидкость внутри указанной смесительной камеры для получения первого раствора, содержащего первый объем газовых нанопузырьков; резервуар высокого давления для приема указанного первого раствора из указанного центробежного насоса, и удержания первого раствора при внутреннем давлении в течение выбранного периода времени, чтобы получить второй раствор, содержащий второй объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанному первому объему; и одну или более форсунок для распыления указанного второго раствора в указанный резервуар, причем указанные одна или более форсунок выполнены такого размера и формы, чтобы высвобождать часть указанных объемов газовых нанопузырьков в указанную жидкость. При этом центробежный насос выполнен с возможностью обеспечения циркуляции указанной жидкости в и через цепь элементов, содержащую указанный резервуар, указанный центробежный насос, указанный резервуар высокого давления и указанные одну или более форсунок, до тех пор, пока из указанной жидкости не будет удалено требуемое количество загрязнителей. Изобретение обеспечивает формирование нанопузырьков в большем количестве, большей концентрации, более высокого качества. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает преимущество и приоритет как предварительной заявки США 62/825 491, поданной 28 марта 2019 г., озаглавленной «Противоточное устройство для оптимизации формирования нанопузырьков в жидкости», так и предварительной заявки США 62.969729, поданной 4 февраля 2020 г., озаглавленной «Системы и способы ввода нанопузырьков обогащенного газа в жидкость с целью создания раствора для удаления загрязнителей», каждая из которых целиком включена в настоящую заявку.

Область техники, к которой относится изобретение

Примеры, приведенные в настоящем описании, относятся к области систем обработки воздуха и воды. Более конкретно, но без ограничений, в настоящем изобретении описаны способы и системы для оптимизации формирования газовых нанопузырьков в дезинфицирующем растворе.

Уровень техники

В традиционных системах обработки воды для удаления микробных токсинов и патогенов используются разнообразные химические вещества, большинство которых наносят вред окружающей среде. Обработка больших масс воды, таких как озер, прудов, и накопителей сточной воды животноводческих ферм, в настоящее время является чересчур дорогостоящей и технологически нереализуемой. Необработанные отходы часто содержат большие количества метана, азота и других веществ, которые вызывают опасения в отношении экологической безопасности. Балластная вода, выпускаемая из грузовых морских судов, может загрязнять заливы и бухты вокруг портов. Нарастают опасения, касающиеся угроз террористической деятельности, которая может быть направлена на водоснабжение, а также на природные источники воды, и окружающую среду. Существующие системы для дезинфицирования или стерилизации воздуха в помещении, на поверхностях, на медицинском оборудовании и других компонентах являются дорогостоящими, времязатратными, и во многих случаях не полностью эффективными. Многие типы микробов, патогенов, включая вирусы, могут жить на поверхностях и в замкнутых пространствах длительное время, пока не будет проведена обработка.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается система оптимизации формирования газовых нанопузырьков в растворе. Такая система содержит центробежный насос, содержащий смесительную камеру, для перемещения жидкости из резервуара в резервуар высокого давления, источник газа для ввода первого количества газа в указанную жидкость внутри указанной смесительной камеры для получения первого раствора, содержащего первый объем газовых нанопузырьков, резервуар высокого давления для приема указанного первого раствора из указанного центробежного насоса, причем указанный резервуар высокого давления выполнен с возможностью удержания указанного первого раствора при внутреннем давлении в течение выбранного периода времени, чтобы получить второй раствор, при этом указанный второй раствор содержит второй объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанному первому объему, и одну или более форсунок для распыления указанного второго раствора в указанный резервуар, причем указанные одна или более форсунок выполнены такого размера и формы, чтобы высвобождать часть указанных объемов газовых нанопузырьков в указанную жидкость, при этом указанный центробежный насос выполнен с возможностью обеспечения циркуляции указанной жидкости в и через цепь элементов, содержащую указанный резервуар, указанный центробежный насос, указанный резервуар высокого давления и указанные одну или более форсунок до тех пор, пока из указанной жидкости не будет удалено требуемое количество загрязнителей.

В такой системе указанная цепь элементов может дополнительно содержать противоточную задвижку для ограничения течения указанного второго раствора из указанного резервуара высокого давления, причем указанный противоточная задвижка выполнена с возможностью увеличения указанного внутреннего давления внутри указанного резервуара высокого давления, и увеличения указанного выбранного периода времени нахождения внутри указанного резервуара высокого давления, так, чтобы в указанном резервуаре высокого давления образовывался третий раствор, при этом указанный третий раствор содержит третий объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанным первому объему и второму объему.

В такой системе указанная цепь элементов может дополнительно содержать инжектор Вентури для приема указанного второго раствора из указанного резервуара высокого давления, причем указанный инжектор Вентури выполнен с возможностью ввода дополнительного количества газа в указанную жидкость для получения четвертого раствора, причем указанный четвертый раствор содержит четвертый объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанным первому объему и второму объему.

В такой системе указанная цепь элементов может дополнительно содержать трубу рециркуляции, содержащую вентиль рециркуляции, выполненный с возможностью доставки выбранной части указанного второго раствора к указанному инжектору Вентури, и дополнительную газовую впускную трубку, соединенную с всасывающим отверстием указанного инжектора Вентури для подачи указанного дополнительного количества газа, при этом указанный инжектор Вентури может содержать продольную камеру, образованную боковой стенкой, и указанное всасывающее отверстие в указанной боковой стенке, причем указанная продольная камера выполнена такого размера и формы, чтобы создавать перепад давления, достаточный для передачи указанного дополнительного количества газа через указанное всасывающее отверстие в указанную выбранную часть указанного второго раствора.

В заявленной системе указанным газом может являться богатый озоном газ, а указанный источник газа может содержать концентратор кислорода для превращения наружного воздуха в обогащенный кислородом воздух, генератор озона, имеющий связь по текучей среде с указанным концентратором кислорода для превращения указанного обогащенного кислородом газа в богатый озоном газ, и газовую впускную трубку, имеющую связь по текучей среде с указанным генератором озона, и выполненную с возможностью доставки указанного богатого озоном газа к указанной смесительной камере внутри указанного центробежного насоса.

В заявленной системе указанный резервуар высокого давления может дополнительно содержать стенку отводящей трубы, образующую камеру, проходящую продольно, по существу вертикально внутри указанного резервуара высокого давления от нижнего конца к дальнему концу, при этом указанная камера имеет связь по текучей среде с указанным резервуаром высокого давления и с соединительным патрубком, приходящим от указанного насоса, причем указанная стенка отводящей трубы дополнительно образует множество сквозных перфорационных отверстий, вентиляционное устройство, расположенное с возможностью выпуска избыточного объема богатого озоном газа из указанного резервуара высокого давления, причем указанный избыточный объем отличается тем, что он не был введен и растворен в указанном первом растворе, и дефлектор, который выполнен такого размера и формы, и расположен так, чтобы селективно препятствовать поступлению указанного первого раствора в указанное вентиляционное устройство.

В заявленной системе одна или более форсунок может содержать пару форсунок, расположенных на расстоянии одна от другой и погруженных в указанный резервуар на глубину, соответствующую средней высоте над дном указанного резервуара, причем каждая форсунка из указанной пары может содержать корпус форсунки, образующий один или более проточных каналов, сближающихся друг с другом в направлении одного или более выпускных отверстий.

Краткое описание чертежей

Характеристики различных вариантов осуществления раскрываемого изобретения будет легче понять, если обратиться к последующему подробному описанию ос ссылками на прилагаемые чертежи. В описании, и везде в чертежах вместе с каждым элементом используется ссылочный номер. Когда присутствует множество подобных друг другу элементов, то подобным элементам может быть присвоен единый ссылочный номер с добавленным нижним индексом, относящимся к конкретному элементу.

Различные элементы, представленные на чертежах, изображены не в масштабе, если не оговорено обратное. Размеры разных элементов могут быть увеличены или уменьшены в интересах наглядности. Несколько чертежей изображают один или более вариантов осуществления изобретения, и представлены только для примера. Их не следует рассматривать, как ограничительные. На представленных чертежах:

фиг. 1 изображает схему системы ввода газа, соответствующую варианту осуществления изобретения,

фиг. 2А схематически изображает резервуар высокого давления, подходящий для применения в системе ввода газа фиг. 1,

фиг. 2В в аксонометрии изображает дефлектор, соответствующий варианту осуществления изобретения,

фиг. 3А изображает узел противоточной задвижки с ручным управлением, соответствующий варианту осуществления изобретения,

фиг. 3В изображает узел противоточной задвижки с механическим управлением, соответствующий варианту осуществления изобретения, и

фиг. 4 изображает форсунку, соответствующую варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Системы, аппараты и способы, соответствующие настоящему изобретению, легче понять, если обратиться к последующему подробному описанию, примерам и чертежам. Терминология, используемая в описании, предназначена только для рассмотрения определенных аспектов, и не преследует цели установления ограничений.

Подобным друг другу элементам везде в последующем описании и чертежах присвоены одинаковые ссылочные номера. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе, при этом в целях наглядности, выразительности и передачи информации определенные элементы могут быть изображены преувеличенного размера или несколько схематично.

Данное описание предусматривает рассмотрение идей изобретения в отношении известного в настоящее время варианта осуществления. В этой связи специалистам в данной области будет понятна возможность внесения множества изменений в различные рассматриваемые в описании аспекты, и получения полезных результатов. Также должно быть очевидно, что некоторые из желаемых преимуществ могут быть получены путем выбора некоторых из описанных отличительных признаков, без использования остальных признаков. Соответственно, тем, кто работает в данной области, будет понятно, что в рассмотренные примеры могут быть внесены многочисленные изменения и выполнена их адаптация, которая при определенных обстоятельствах может быть даже желательной, и может составлять часть данного описания. Таким образом, последующее описание приведено в качестве иллюстрации принципов, а не с целью установления ограничений.

Везде в настоящем описании существительные в форме единственного числа подразумевают и множественное число определяемого объекта, если в контексте ясно не указано иное. Таким образом, ссылка на компонент может заключать в себе два или более таких компонентов, если контекст не указывает иное.

Диапазоны в описании могут быть выражены как: приблизительно от одного фиксированного значения и/или до приблизительно другого фиксированного значения. Когда диапазон выражают таким образом, то в другом аспекте это звучит как: от одного точного значения и/или до другого точного значения. Аналогично, когда значения выражают приближенно, используя перед значением слово «приблизительно», то следует понимать, что точное значение образует другой аспект. Далее следует понимать, что конечные точки каждого из диапазонов являются значимыми и в отношении одной конечной точки, и независимо в отношении другой конечной точки.

В том смысле, в каком в настоящем описании используются термины «возможный» (англ. optional) или «по желанию» (англ. optionally), они означают, что последующее описываемое событие или обстоятельство может произойти или может не произойти, и что описание включает случаи, когда данное событие или обстоятельство происходит, и случаи, когда данное событие или обстоятельство не происходит.

В том смысле, в каком в настоящем описании используется термин «способствовать», он означает оказывать помощь, содействовать или облегчать. Термин «запрещать» означает препятствовать, вмешиваться, мешать или задерживать движение.

В том смысле, в каком в настоящем описании используются термины «ближний» (англ. proximal) и «дальний» (англ. distal), они применяются для описания элементов или частей элементов, которые расположены ближе или соответственно дальше от другого элемента или пользователя. Таким образом, например, находящийся на большом расстоянии конец трубы, прикрепленной к сосуду, может быть назван дальним концом, поскольку он находится далеко относительно сосуда.

В том смысле, в каком в настоящем описании используются термины «связанный» (англ. coupled) или «соединенный» (англ. connected), они указывают на любое логическое, оптическое, физическое или электрическое соединение, включая канал вязи или подобное устройство, посредством которого электрические или магнитные сигналы, вырабатываемое или подаваемые одним элементом системы, передаются другому связанному или соединенному элементу системы. Если не оговорено иное, то связанные или соединенные элементы или устройства не обязательно соединены друг с другом непосредственно, а могут быть разделены промежуточными компонентами, элементами или коммуникационными средствами, одно или более из которых может видоизменять, манипулировать электрическими сигналами или переносить электрические сигналы.

Термин «нанопузырек» (англ. nanobubble), в том смысле, в каком используется в настоящем описании, относится к пузырькам диаметром приблизительно от 10 нм до приблизительно 400 мкм. (1 нм = 10^-9 м; 1 мкм = 10^-6 м).

Раствором является жидкая смесь, в которой второстепенный компонент, называемый растворяемым веществом (англ. solute), растворен в основном компоненте, называемом растворителем (англ. solvent) (таком как вода в случае водных растворов). Количество растворяемого вещества, которое может быть растворено в растворителе может быть разным в зависимости от нескольких факторов, таких как температура и растворимость вещества. Способность вещества растворяться в растворителе называется растворимостью. Растворимость - это химическая характеристика вещества, и она не изменяется.

Раствор является насыщенным, когда содержит максимально возможное количество растворяемого вещества (например, обогащенного газа), которое может быть растворено в растворителе при нормальных условиях. Чтобы ввести в растворитель дополнительное количество растворяемого вещества, обычно требуются особые условия, такие как кинетическое перемешивание, ввод при высоком давлении, повышенные температуры, и/или большая продолжительность процесса. Такое принудительное добавление растворяемого вещества в некоторых случаях дает раствор. При растворении газов в жидкости обычно будут формироваться пузырьки. Газированная вода - это пример пересыщенного раствора углекислого газа в воде.

Термин «введенный» (англ. injected), в том смысле, в каком используется в настоящем описании, относится к принудительному введению дополнительного газа (растворяемого вещества) в жидкость (растворитель), которая при некоторых условиях образует пересыщенный раствор. Термин «высвобожденный» (англ. released) относится к противоположному процессу, при котором пузырьки газа, которые однажды были введены в жидкий раствор, теперь высвобождаются или выходят из раствора.

Дополнительные задачи, преимущества и новые отличительные признаки примеров осуществления изобретения будут сформулированы частично в последующем описании, и частично станут понятными для специалистов при изучении описания и прилагаемых чертежей, или могут стать понятными при реализации примеров или работе с примерами осуществления изобретения. Задачи и преимущества настоящего изобретения могут быть реализованы или достигнуты посредством методологии, инструментов и их комбинаций, на которые конкретно указывают пункты прилагаемой формулы изобретения.

Хотя различные варианты осуществления и реализации изобретения описаны в отношении примера системы для оптимизации размера пузырьков и их концентрации в смеси жидкостей для увеличения эффективности смеси в задачах обеззараживания, рассмотренные в настоящем описании системы и способы могут быть применены и использованы в любой из разнообразных других систем.

Далее будут подробно рассмотрены примеры, которые иллюстрированы прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 схематически изображена система 1000 ввода газа, соответствующая примеру осуществления изобретения. Система 1000 содержит центробежный насос 200 для осуществления циркуляции жидкости в и через цепь элементов, в которой каждый элемент имеет связь по текучей среде со следующим элементом. Цепь элементов в данном примере включает в себя центробежный насос 200, резервуар 300 высокого давления, противоточную задвижку (англ. backflow valve) 500, инжектор 600 Вентури и пару форсунок 700а, 700b, погруженных в резервуар 10 загрязненной жидкости. Загрязненной жидкостью может быть вода, соленая вода, иная жидкость или газ в жидком состоянии, такой как воздух. Контроль, регулирование и управление цепью элементов осуществляет управляющее устройство 100. Цепь элементов является замкнутой, и обеспечивает циркуляцию жидкости с целью ее обработки до тех пор, пока из жидкости не будет удалено требуемое количество загрязнителей. Термин «загрязнитель» (англ. pollutant) здесь используется в самом широком смысле, включая в себя все разнообразие веществ, которые подлежат удалению из жидкости.

Система 1000 также содержит источник газа, который может подавать один или более газов (например, озон, кислород, водород). Источник газа, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит один или более концентраторов 110а, 110b кислорода для превращения наружного воздуха в обогащенный кислородом газ. Некоторые типы концентраторов кислорода способны обрабатывать около тридцати литров в минуту, и создавать кислородное обогащение приблизительно 92%. Можно использовать более купные концентраторы и другое оборудование, чтобы масштабировать систему, и работать с

объемами жидкостей и газов. Источник газов также содержит один или более генераторов 120а, 120b озона для превращения обогащенного кислородом газа в богатый озоном газ. Богатый озоном газ поступает в цепь элементов в точку у насоса 200 и инжектора 600 Вентури. Система 1000 также содержит устройство 400 разрушения озона для захвата лишнего озона и превращения его в кислород. Согласно другим вариантам осуществления, могут быть использованы один или более разных газов. Например, система может вначале вводить богатый озоном газ для очистки резервуара воды, затем вводить богатый кислородом газ, для удаления всего излишнего озона, после чего вводить дополнительный кислород и/или водород, чтобы увеличить концентрацию этих газов в воде, и тем самым получить питьевую воду, в которую были введены указанные газы.

Центробежный насос 200 содержит смесительную камеру 205, где загрязненная жидкость смешивается с газом (например, с богатым озоном газом). У центробежного насоса 200 внутри смесительной камеры 205 имеются один или более приводных роторов, которые называются лопастными колесами, для активации перемешивания и облегчения ввода газа в жидкость. В центробежном насосе 200 жидкость поступает в смесительную камеру 205 вблизи оси быстровращающихся лопастных колес, которые за счет центробежной силы отбрасывают жидкость в наружном направлении (т.е. радиально относительно оси лопастных колес). Согласно другим вариантам осуществления, смесительная камера 205 содержит одно или более зубчатых колес, пар колес или иных активаторов, способствующих перемешиванию. Газ поступает в смесительную камеру 205 при сравнительно высоком давлении, которое вынуждает газ растворяться в жидкости, что приводит к образованию пузырьков. Управление объемами и давлениями жидкости и газа обеспечивает формирование пузырьков все меньшего и меньшего размера, некоторые из которых являются нанопузырьками. Источник газа, как показано, вводит первое количество газа в жидкость внутри смесительной камеры 205, чтобы получить первый раствор. Данный первый раствор может быть, а может и не быть полностью насыщен газом. Данный первый раствор содержит первый объем газовых нанопузырьков.

Газ поступает к насосу 200 через впускную газовую трубку 140, которая может содержать первый управляющий вентиль 540. Загрязненная жидкость поступает к насосу 200 через впускную трубу 210, которая может содержать впускной вентиль 510 для управления течением из резервуара 10. Впускной вентиль 510 также препятствует вытеканию жидкости из резервуара 10, когда системой 1000 не пользуются. Впускная труба 210 может также содержать заполняющий насос (не показан) для запуска жидкости в цепь элементов, что особенно полезно, когда система начинает свою работу. Впускная труба 210 и другие трубки, передающие жидкость, могут быть выполнены из ПВХ, гибкого шланга или другого подходящего материала, способного выдерживать давления и температуры системы 1000.

Резервуар 300 высокого давления в данном примере установлен над насосом 200. Резервуар 300 высокого давления выполнен с возможностью приема первого раствора из насоса 200, и удержания первого раствора при внутреннем давлении в течение выбранного периода времени. Давление и период времени задают, регулируют и контролируют посредством управляющего устройства 100. Данное сочетание давления и периода времени содействует дополнительному вводу газовых нанопузырьков - как внутри резервуара 300 высокого давления, так и внутри смесительной камеры 205, благодаря противодавлению, создаваемому резервуаром 300 высокого давления. Указанное сочетание давления и периода времени создает второй раствор, который содержит второй объем газовых нанопузырьков (дополнительно к первому объему, который был введен в смесительную камеру 205 насоса 200).

Указанный второй раствор, согласно некоторым вариантам осуществления, выходит из резервуара 300 высокого давления и проходит через выпускную трубу 220 к паре форсунок 700а, 700b, которые выполнены с возможностью «распыления» второго раствора в резервуар 10. Как показано на фиг. 1, Y-образная разделительная трубка может быть симметричной, чтобы равномерно отводить поток к паре форсунок 700а, 700b. Подобно резервуару 300 высокого давления, форсунки 700а, 700b создают противодавление в системе, что содействует дополнительному вводу нанопузырьков в элементы, расположенные выше по течению. Форсунки 700а, 700b расположены на расстоянии друг от друга и погружены в резервуар 10 на глубину, соответствующую средней высоте 730 над дном 20 резервуара. Форсунки 700а, 700b, согласно некоторым вариантам осуществления, подвешены над дном 20 резервуара посредством одного или более поплавков и противовесов (не показаны), особенно в условиях, подверженных приливным изменениям или иным объемным флуктуациям. Форсунки 700а, 700b выполнены такого размера и формы, чтобы выпускать часть объемов газовых нанопузырьков в жидкость в резервуаре 10. При выпуске нанопузырьков происходит инжекция газов, которые были растворены во втором растворе. В случае вариантов осуществления, в которых газом является обогащенный озоном газ, при выпуске нанопузырьков образуются гидроксильные радикалы, которые обладают высокой реакционной способностью, и полезны при разрушении органических соединений и иных загрязнителей.

Второй раствор, согласно другому варианту осуществления, выходит из резервуара 300 высокого давления, и следует по выпускной трубе 220 к противоточной задвижке 500, прежде чем поступить к форсункам 700а, 700b. Противоточная задвижка 500 расположена в выпускной трубе 220, при этом она построена и выполнена так, чтобы селективно ограничивать течение второго раствора через выпускную трубу 220. За счет ограничения течения через выпускную трубу 220 противоточная задвижка 500 создает значительное противодавление в системе, что содействует дополнительному вводу нанопузырьков в элементах, расположенных выше по течению. Указанное противодавление увеличивает давление внутри резервуара 300 высокого давления, и продлевает период времени для перемешивания внутри резервуара 300. Противодавление в некоторой степени также влияет на давление и время перемешивания внутри смесительной камеры 205 насоса 200. Сочетание увеличенного давления и более продолжительного времени перемешивания вынуждает резервуар 300 высокого давления формировать третий раствор, который содержит третий объем нанопузырьков (дополнительно к первому объему, введенному внутрь смесительной камеры 205 насоса 200, и дополнительно ко второму объему, введенному внутрь резервуара 300 высокого давления в системе, которая не содержит противоточной задвижки). После прохождения через противоточную задвижку 500 третий раствор вводится в резервуар 10 через форсунки 700а, 700b, как изложено в данном описании.

Система 1000, изображенная на фиг. 1, также содержит цепь рециркуляции для возврата раствора обратно в центробежный насос 200. Как показано, труба 230 рециркуляции выполнена с возможностью доставки выбранной части раствора из выпускной трубы 220 обратно во впускную трубу 210. Труба 230 рециркуляции содержит вентиль 520 рециркуляции для управления течением; другими словами, для управления указанной выбранной частью раствора, которая должна быть возвращена. Труба 230 рециркуляции содержит инжектор 600 Вентури, который, как подсказывает его название, выполнен такого размера и формы, чтобы при прохождении через него раствора создавать эффект инжекции потока. Инжектор 600 Вентури содержит всасывающее отверстие в боковой стенке продольной камеры, через которую проходит раствор. Дополнительная газовая впускная трубка 130 соединена с всасывающим отверстием, и выполнена с возможностью передачи богатого озоном газа. Газовая впускная трубка 130, согласно некоторым вариантам осуществления, не содержит управляющего вентиля; вместо этого расчет строится на всасывании, создаваемом инжектором 600 Вентури для перемещения газа через впускную трубку 130. Газовый вентиль 540 в трубке 140 подачи газа к насосу 200 может быть отрегулирован, когда работает инжектор 600 Вентури, чтобы сбалансировать подачу газа.

Продольная камера выполнена такого размера и формы, чтобы создавать перепад давления, которого достаточно для засасывания дополнительного количества газа через всасывающее отверстие, и в выбранную часть раствора. Такая инжекция дополнительного газа формирует четвертый раствор, который содержит четвертый объем газовых нанопузырьков (дополнительно к первому объему, введенному внутрь смесительной камеры 205 насоса 200, и дополнительно ко второму объему, введенному внутрь резервуара 300 высокого давления). Указанный четвертый раствор затем втекает в основную впускную трубу 210, и поступает обратно в центробежный насос 200 для дополнительного перемешивания и ввода дополнительного газа.

Система 1000, в некоторых вариантах осуществления, может доставлять богатый озоном газ либо (а) только через впускную трубку 140, непосредственно в центробежный насос 200, (b) только через вспомогательную газовую впускную трубку 130 непосредственно в инжектор 600 Вентури, либо (с) через обе впускные трубки 140, 130 - в этом случае насос 200 и инжектор 600 Вентури действуют совместно, чтобы улучшить качество и увеличить количество нанопузырьков в растворе.

Управляющее устройство 100 присоединено и выполнено так, чтобы задавать режимы, осуществлять контроль, регулирование и иного рода управление системой 1000, рассмотренной в данном описании, включая управление подачей газа, центробежным насосом 200, резервуаром 300 высокого давления, противоточной задвижкой 500, инжектором 600 Вентури и устройством 400 разрушения озона, а также вентилями, расположенными в трубопроводах, которые соединяют элементы системы 1000.

Например, управляющее устройство 100, согласно некоторым вариантам осуществления, производит управление концентраторами 110а, 110b кислорода, генераторами 120а, 120b озона и газовыми вентилями 530, 540, которые управляют течением газа в системе 1000. Управляющее устройство 100 управляет оборотами мотора, вращающего насос 200, внутренним давлением в резервуаре 300, противоточной задвижкой 500 и инжектором 600 Вентури, а также жидкостными вентилями 510, 520, которые управляют течением жидкости в системе 1000.

Благодаря и посредством своего соединения с системой 1000 управляющее устройство 100 ведет сбор и накопление информации о скорости течений, давлениях, температурах и других состояниях. Путем регулирования вентилей и других элементов в системе 1000 управляющее устройство 100 балансирует скорости течений, давления и температуры между и среди элементов системы в целях оптимизации формирования нанопузырьков. В данном аспекте, регулирование параметров системы, выполняемое управляющим устройством 100, вынуждает систему 1000 в целом формировать нанопузырьки в большем количестве, большей концентрации, более высокого качества, а также формировать более стабильный раствор на разных стадиях по всей схеме системы, так что нанопузырьки сохраняются в растворе до тех пор, пока не достигнут форсунок 700а, 700b.

Управляющее устройство 100, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, содержит программируемый логический контроллер (PLC, Programmable Logic Controller), который, работая, осуществляет управление источником питания, таймерами и счетчиками, процессором (например, центральным процессорным устройством CPU (Central Processor Unit)), связанным с памятью (например, для сохранения программ и ведения журнала температур и давлений), множеством интерфейсов ввода-вывода, через которые контроллер PLC принимает и отправляет данные от внешнего устройства и во внешнее устройство, и коммуникационным интерфейсом для приема и отправления данных из удаленных устройств и в удаленные устройства, такие как компьютеры и мобильные устройства (например, чтобы обеспечить дистанционное управление и дистанционный доступ к данным и настройкам).

Контроллер PLC через свои интерфейсы ввода-вывода адаптирован для взаимодействия с внешними управляющими устройствами, например, мотором 500, который управляет узлом 500b противоточной задвижки (фиг. 3В) и моторами, которые управляют настройкой газовых вентилей и жидкостных вентилей. Управляющее устройство 100 и/или его контроллер PLC, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, содержит частотно-регулируемый привод (VFD, Variable Frequency Drive) для управления мотором, приводящим во вращение насос 200, который особенно полезен при пуске системы и выключении электропитания.

Управляющее устройство 100 и/или его контроллер PLC, может содержать один или более дублирующих или резервных модулей для предотвращения полного или частичного включения системы 1000 из-за аппаратных отказов или прерывания электропитания. Могут быть активированы аварийные циклы выключения и подачи аварийных сигналов в случае аппаратного отказа, превышения давлений и температур или иных видов перегрузки системы.

На фиг. 2А схематически изображен резервуар 300 высокого давления, пригодного для использования совместно с рассматриваемыми вариантами осуществления системы ввода газа. Резервуар 300 высокого давления принимает поток первого раствора от насоса 200 через соединительный патрубок 215. Как показано, в нижней части резервуара 300 первый раствор проходит через отводящую трубу 310. Отводящая труба 310 проходит продольно, по существу вертикально, от нижнего конца в донной части резервуара 300 к дальнему концу. Чтобы способствовать перемешиванию, дальний конец отводящей трубы 310 может быть расположен вблизи середины резервуара 300.

Как показано, боковая стенка отводящей трубы 310 содержит множество перфорационных отверстий 315. Первый раствор выходит из трубы 310 через перфорационные отверстия 315 и попадает в резервуар 300 высокого давления. Перфорационные отверстия 315 могут быть разных размеров и форм, рассчитанных на то, чтобы обеспечивать перемешивание и ввод раствора.

Резервуар 300 высокого давления содержит вентиляционное устройство 330 для выпуска избыточного объема богатого озоном газа. Вместо того, чтобы богатый озоном газ выпускать в атмосферу, этот избыточный объем проходит через пароотводящую трубку 150 в устройство 400 разрушения озона, как показано на фиг. 1.

Как показано на фиг. 2А, резервуар 300 высокого давления также содержит дефлектор 320. Дефлектор 320 выполнен такого размера и формы, и расположен так, чтобы селективно препятствовать поступающему потоку первого раствора втекать в вентиляционное устройство 330. Согласно этому аспекту, дефлектор 320 не позволяет поступающему потоку разбрызгиваться или иным образом входить в вентиляционное устройство 330, которое рассчитано на улавливание избыточного газа, а не жидкости. Жидкость выходит через выпускную трубу 220. Дефлектор 320 также выполнен такого размера и формы, и расположен так, чтобы селективно препятствовать слишком быстрому поступлению богатого озоном газа в вентиляционное устройство 330. Резервуар 300 высокого давления рассчитан на удержание первого раствора под давлением в течение выбранного периода времени, как было сказано выше.

На фиг. 2В в аксонометрии изображен пример дефлектора 320, который выполнен из металлической пластины толщиной 3,2 мм в целом прямоугольной формы. В примере дефлектор 320 представляет собой изогнутую пластину, которая своими четырьмя углами приварена к потолку или верхним поверхностям внутри резервуара 300 высокого давления вблизи вентиляционного устройства 330. В данном примере избыточный поток богатого озоном газа может обтекать боковые края дефлектора 320, и поступать в вентиляционное устройство 330. В некоторых вариантах осуществления дефлектор 320 может быть выполнен из другого материала, другой формы и размеров, и может содержать перфорационные или иные отверстия, чтобы дать возможность избыточному потоку богатого озоном газа поступать в вентиляционное устройство 330. Давление внутри резервуара 300 выбирают так, чтобы содействовать дополнительному перемешиванию и вводу раствора. Когда выбранное давление будет превышено, избыточный поток богатого озоном газа будет поступать в вентиляционное устройство 330.

Изображенная на фиг. 1 система 1000, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит устройство 400 разрушения озона для захвата избыточного объема богатого озоном газа из резервуара 300. Избыточный объем отличается тем, что он не был введен в первый раствор. Устройство 400 разрушения озона содержит катализатор для превращения по существу всего избыточного объема озона в кислород, и выпускное отверстие 410 для выпуска кислорода (в некоторых вариантах осуществления - непосредственно в атмосферу). Катализатором может служить соединение, такое как диоксид марганца, оксид меди или другое подходящее соединение или смесь соединений. Устройство 400 разрушения озона, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, может содержать обогреватель, одну или более лопастей или иных элементов, чтобы направлять поток газа через камеру, фильтры дополнительно к катализатору, и вентилятор для прокачки газа через камеру и/или выброса кислорода через выпускное отверстие 410. В случае систем, в которых газом является не обогащенный озоном газ, устройство 400 разрушения озона может быть заменено системой другого типа для безопасной обработки избыточного газа перед его выпуском в атмосферу.

На фиг. 3А в разрезе изображен узел 500а противоточной задвижки с ручным управлением, расположенный в выпускной трубе 220. Узел 500а противоточной задвижки, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит маховик 501, выполненный с возможностью подъема и опускания затвора 502 в трубу 200 с целью изменения течения жидкости через трубу, и тем самым создания противодавления в элементах, расположенных выше по течению. Затвор 502 может быть построен из сплошной плиты из нержавеющей стали, толщина которой составляет приблизительно от 3,2 мм до 6,4 мм. Сплошной затвор 502 выполнен такого размера и формы, чтобы помещаться между входной плитой 503 и выходной плитой 504. Плиты 503, 504 содержат одно или более просверленных отверстий или окон, как показано на фиг. 3А.

На фиг. 3В в разрезе изображен узел 500b противоточной задвижки с механическим управлением, расположенный в выпускной трубе 220. Узел 500b противоточной задвижки в данном примере содержит мотор 550, соединенный с валом 560, выполненным с возможностью подъема и опускания затвора 562 в трубу 200 с целью изменения течения жидкости через трубу, и тем самым создания противодавления в элементах, расположенных выше по течению. Затвор 562 может быть построен из сплошной плиты из нержавеющей стали, толщина которой составляет приблизительно от 3,2 мм до 6,4 мм. Сплошной затвор 562 выполнен такого размера и формы, чтобы помещаться между входной плитой 573 и выходной плитой 574. Плиты 573, 574 содержат одно или более просверленных отверстий или окон, как показано на фиг. 3В. Мотор 550 может быть присоединен к затвору, при этом мотором может управлять управляющее устройство 100 или мотором можно управлять отдельно.

Согласно некоторым вариантам осуществления, узел 500а, 500b противоточной задвижки с ручным или механическим приводом является регулируемым, чтобы создавать требуемую величину противодавления в элементах, расположенных выше по течению. Когда узел 500а, 500b противоточной задвижки закрывают, сопротивление течению увеличивается, что в свою очередь создает повышенное противодавление. Указанное противодавление повышает внутреннее давление в резервуаре 300, и продлевает период времени для перемешивания внутри резервуара 300. Противодавление в некоторой степени также оказывает влияние на давление и время перемешивания в смесительной камере 205 насоса 200.

Согласно другому варианту осуществления, в узле 500 противоточной задвижки не предусмотрено регулирование ни посредством ручного, ни механического управления. В данном примере, узел 500 противоточной задвижки выполнен в соответствии с требованиями заказчика, и содержит один или более внутренних элементов, рассчитанных на ограничение или изменение течения жидкости через задвижку, и тем самым создание противодавления в элементах, расположенных выше по течению.

Фиг. 4 иллюстрирует узел 700 с форсунки, соответствующий некоторым вариантам осуществления изобретения. Узел 700 с форсунки содержит резьбовой соединитель 710, выполненный с возможностью крепления к выпускной трубе 220. Аналогично резервуару 300 высокого давления и узлу 500 противоточной задвижки, узел 700 с форсунки создает противодавление в системе, которое содействует дополнительному вводу нанопузырьков в элементы, расположенные выше по течению. В данном аспекте, размер и форма узла 700 с форсунки содействуют и помогают поддерживать соответствующее рабочее давление везде в системе 1000.

Корпус 702 форсунки, как показано, образует один или более проточных каналов 720, обеспечивающих связь по текучей среде между жидкостным входом (через соединитель 710) и одним или более жидкостными выходами 725. Проточные каналы 720 сближаются в направлении жидкостных выходов 725. Другими словами, площадь поперечного сечения проточных каналов 720 уменьшается по мере того, как жидкость течет к выходам 725. Сходящаяся форма проточных каналов 720 может быть получена посредством любого из многочисленных форсуночных элементов и предлагаемых на рынке конструкций. Сходящаяся форма проточных каналов 720 вызывает быстрое увеличение скорости течения и быстрое уменьшение давления. Быстрое падение давления вынуждает по меньшей мере часть газовых пузырьков высвобождаться в жидкость в резервуаре 10. Газовые пузырьки, которые были однажды растворены во втором растворе, проходя через узел 700 с форсунки со сходящимися каналами, высвобождаются из второго раствора, и вводятся в жидкость в резервуаре 10. Это высвобождение газа содействует разрушению загрязнителей и других вредных веществ в жидкости. Что касается вариантов осуществления, в которых газом является богатый озоном газ, а жидкостью - загрязненная вода, то при выпуске нанопузырьков образуются гидроксильные радикалы, которые обладают высокой реакционной способностью, и полезны при разрушении органических соединений и иных загрязнителей.

Применение рассматриваемых в данном описании способов и систем является полезным для дезинфицирования масс воды, таких как озер, заболоченных земель, накопителей сточных вод животноводческих ферм, балластной воды судов а также прудов или цистерн отработанной воды. Применение рассматриваемых в данном описании способов и систем является полезным для дезинфицирования воздуха в помещении или ином ограниченном пространстве, включая поверхности, оборудование и другие предметы помещений; для дезинфицирования медицинского оборудования вместо или дополнительно к обработке в автоклавах; для стерилизации фруктов, овощей и других скоропортящихся продуктов.

Хотя в настоящем описании были рассмотрены несколько реализаций и вариантов осуществления изобретения, для рядовых специалистов в данной области, в силу преимущества идей, раскрытых в данном описании, должна быть понятна возможность множества других вариантов осуществления и модификаций рассмотренной технологии. Настоящее описание не ограничено конкретными вариантами осуществления, которые были раскрыты и рассмотрены; предполагается, что в границы объема изобретения могут быть включены другие варианты осуществления и модификации. Кроме того, хотя в описании местами использованы специальные термины, такие термины использованы только в общем и описательном смысле, и их не следует рассматривать, как понятия, ограничивающие описанные системы и способы.

Claims (25)

1. Система оптимизации формирования газовых нанопузырьков в растворе, содержащая:

- центробежный насос, содержащий смесительную камеру, для перемещения жидкости из резервуара в резервуар высокого давления,

- источник газа для ввода первого количества газа в указанную жидкость внутри указанной смесительной камеры для получения первого раствора, содержащего первый объем газовых нанопузырьков,

- резервуар высокого давления для приема указанного первого раствора из указанного центробежного насоса, причем указанный резервуар высокого давления выполнен с возможностью удержания указанного первого раствора при внутреннем давлении в течение выбранного периода времени, чтобы получить второй раствор, при этом указанный второй раствор содержит второй объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанному первому объему, и

- одну или более форсунок для распыления указанного второго раствора в указанный резервуар, причем указанные одна или более форсунок выполнены такого размера и формы, чтобы высвобождать часть указанных объемов газовых нанопузырьков в указанную жидкость,

при этом указанный центробежный насос выполнен с возможностью обеспечения циркуляции указанной жидкости в и через цепь элементов, содержащую указанный резервуар, указанный центробежный насос, указанный резервуар высокого давления и указанные одну или более форсунок, до тех пор, пока из указанной жидкости не будет удалено требуемое количество загрязнителей.

2. Система по п. 1, в которой указанная цепь элементов дополнительно содержит:

- противоточная задвижка для ограничения течения указанного второго раствора из указанного резервуара высокого давления, причем указанная противоточная задвижка выполнена с возможностью увеличения указанного внутреннего давления внутри указанного резервуара высокого давления, и увеличения указанного выбранного периода времени нахождения внутри указанного резервуара высокого давления,

так чтобы в указанном резервуаре высокого давления образовывался третий раствор, при этом указанный третий раствор содержит третий объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанным первому объему и второму объему.

3. Система по п. 1, в которой указанная цепь элементов дополнительно содержит:

- инжектор Вентури для приема указанного второго раствора из указанного резервуара высокого давления, причем указанный инжектор Вентури выполнен с возможностью ввода дополнительного количества газа в указанную жидкость для получения четвертого раствора, причем указанный четвертый раствор содержит четвертый объем газовых нанопузырьков дополнительно к указанным первому объему и второму объему.

4. Система по п. 3, в которой указанная цепь элементов дополнительно содержит:

- трубу рециркуляции, содержащую вентиль рециркуляции, выполненный с возможностью доставки выбранной части указанного второго раствора к указанному инжектору Вентури, и

- дополнительную газовую впускную трубку, соединенную с всасывающим отверстием указанного инжектора Вентури для подачи указанного дополнительного количества газа,

при этом указанный инжектор Вентури содержит продольную камеру, образованную боковой стенкой, и указанное всасывающее отверстие в указанной боковой стенке, причем указанная продольная камера выполнена такого размера и формы, чтобы создавать перепад давления, достаточный для передачи указанного дополнительного количества газа через указанное всасывающее отверстие в указанную выбранную часть указанного второго раствора.

5. Система по п. 1, в которой указанным газом является богатый озоном газ, а указанный источник газа содержит:

- концентратор кислорода для превращения наружного воздуха в обогащенный кислородом воздух,

- генератор озона, имеющий связь по текучей среде с указанным концентратором кислорода для превращения указанного обогащенного кислородом газа в богатый озоном газ, и

- газовую впускную трубку, имеющую связь по текучей среде с указанным генератором озона, и выполненную с возможностью доставки указанного богатого озоном газа к указанной смесительной камере внутри указанного центробежного насоса.

6. Система по п. 1, в которой указанный резервуар высокого давления дополнительно содержит:

- стенку отводящей трубы, образующую камеру, проходящую продольно, по существу вертикально внутри указанного резервуара высокого давления от нижнего конца к дальнему концу, при этом указанная камера имеет связь по текучей среде с указанным резервуаром высокого давления и с соединительным патрубком, приходящим от указанного насоса, причем указанная стенка отводящей трубы дополнительно образует множество сквозных перфорационных отверстий,

- вентиляционное устройство, расположенное с возможностью выпуска избыточного объема богатого озоном газа из указанного резервуара высокого давления, причем указанный избыточный объем отличается тем, что он не был введен и растворен в указанном первом растворе, и

- дефлектор, который выполнен такого размера и формы и расположен так, чтобы селективно препятствовать поступлению указанного первого раствора в указанное вентиляционное устройство.

7. Система по п. 1, в которой указанные одна или более форсунок содержат пару форсунок, расположенных на расстоянии одна от другой и погруженных в указанный резервуар на глубину, соответствующую средней высоте над дном указанного резервуара,

причем каждая форсунка из указанной пары содержит корпус форсунки, образующий один или более проточных каналов, сближающихся друг с другом в направлении одного или более выпускных отверстий.

Images