Способ производства жидкости, насыщенной кислородом, и устройство для его осуществления
Предложенное изобретение относится к средствам и реализуемым ими технологическим процессам для получения газожидкостных смесей требуемого состава, а именно к аппаратам для производства газированной воды, обогащенной кислородом. Устройство для производства жидкости, насыщенной кислородом, содержит емкость, соединенный с ней через редуктор пневмопроводом баллон с сжатым воздухом, помпу высокого давления, вход которой соединен посредством первой гидравлической линии с нижней частью емкости, а выход посредством второй гидравлической линии - с верхней частью емкости, и линию подачи жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя продукции устройства, при этом в верхней части емкости смонтирован перепускной клапан для предохранения емкости от перегрузки давлением. При этом емкость разделена на нижнюю и верхнюю части посредством перегородки, в состав устройства включены охватывающий емкость снаружи по периметру в ее нижней части змеевик, сопряженный с компрессором для подачи в змеевик хладагента, и насос для подачи жидкости в емкость, соединенный с ее нижней частью посредством третьей гидравлической линии, при этом в верхней части емкости смонтированы датчик уровня, электрически соединенный с помпой высокого давления, и датчик температуры, электрически соединенный с компрессором, вторая гидравлическая линия, соединяющая выход помпы с верхней частью емкости, со своего конца, контактирующего с верхней частью емкости, снабжена распылителем передающейся по ней жидкости, вход линии подачи жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя продукции устройства расположен выше уровня расположения змеевика и ниже чувствительного элемента датчика уровня. Указанное устройство реализует соответствующий способ производства жидкости, насыщенной кислородом. Технический результат - повышение эффективности процесса образования газожидкостной смеси, обеспечение требуемой концентрации кислорода в жидкости при рациональном использовании жидкости и воздуха в условиях ограниченного их поступления в емкость, в которой осуществляется образование газожидкостной смеси. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к средствам и реализуемым ими технологическим процессам для получения газожидкостных смесей требуемого состава, а именно к аппаратам для производства газированной воды, обогащенной кислородом.
Из уровня техники известно устройство для насыщения жидкости газом, а также реализованный данным устройством соответствующий способ, раскрытые в международной заявке WO 99/51331 А1, опубликованной 14.10.1999, МПК7 B 01 F 3/04, 5/02 и др. Данное устройство содержит емкость с содержащейся в ее нижней части жидкостью, расположенную по оси емкости трубку с отверстиями в ее верхней части, подсоединенный к верхней части трубки, выше зоны расположения отверстий, пневмопровод, по которому подается газ, помпу высокого давления, вход которой соединен посредством первой гидравлической линии с нижней частью емкости, а выход посредством второй гидравлической линии - с трубкой, и патрубок слива полученной газожидкостной смеси, расположенный в верхней части емкости. Реализуемый описанным выше устройством способ насыщения жидкости газом заключается в подаче жидкости в емкость, последующей подаче газа в верхнюю часть расположенной по оси емкости трубки, в которой происходит насыщение жидкости газом, перекачке жидкости из нижней части емкости в верхнюю часть трубки посредством помпы высокого давления, при обеспечении барботирования пузырьков газа через отверстия в трубке в процессе циркуляции газожидкостной смеси.
Недостатками описанного выше технического решения является неэффективное расположение распылителей, которые создают повышенную циркуляцию перемешиваемой среды в ограниченном объеме устройства, положительно влияющую на процессы массообмена, но нежелательную в зоне слива готовой газожидкостной смеси. При этом необоснованное пересыщение жидкости газом приводит к неэффективному использованию последнего.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ производства жидкости, насыщенной кислородом, и устройство для его осуществления, раскрытые в описании к международной заявке WO 99/24156 А1, опубликованной 20.05.1999, МПК7 B 01 F 3/04. В указанном документе описан способ производства жидкости, насыщенной кислородом, заключающийся в подаче жидкости в емкость, в верхней части которой происходит ее насыщение кислородом, подаче воздуха из баллона с сжатым воздухом в верхнюю часть емкости, перекачке жидкости из нижней части емкости в ее верхнюю часть посредством помпы высокого давления, поддержании в емкости давления, величина которого не превышает предварительно заданной величины, и подаче полученной газожидкостной смеси из емкости к таре потребителя полученной продукции. При этом при прокачке жидкости через гидравлическую линию, соединяющую выход помпы высокого давления с верхней частью емкости, жидкость последовательно проходит через устройство закручивания потока и золотниковый клапан, а в процессе образования газожидкостной смеси непрерывно контролируется давление в емкости посредством помещенного в нее манометра.
Реализующее приведенный выше способ устройство содержит емкость с содержащейся в ее нижней части жидкостью, а в ее верхней части - воздухом, соединенный с ней через редуктор пневмопроводом баллон с сжатым воздухом, помпу высокого давления, вход которой соединен посредством первой гидравлической линии с нижней частью емкости, а выход посредством второй гидравлической линии - с верхней частью емкости, и линию подачи газожидкостной смеси из емкости к таре потребителя продукции устройства. В верхней части емкости смонтирован перепускной клапан для предохранения емкости от перегрузки давлением, во второй гидравлической линии, соединяющей выход помпы высокого давления с верхней частью емкости, последовательно установлены устройство закручивания потока и золотниковый клапан, а в центр емкости помещен манометр.
Описанное выше устройство благодаря своим конструктивным особенностям надежно защищено от перегрузки емкости избыточным давлением, что фактически исключает возможность повреждения емкости в процессе работы устройства. Однако в нем сравнительно неэффективно реализован процесс образования газожидкостной смеси, в частности реализован малоэффективный неуправляемый процесс циркуляции жидкости в объеме устройства. Вследствие этого не всегда удается достичь требуемой концентрации кислорода в воде, при этом на производство насыщенной кислородом воды посредством раскрытого выше устройства требуется обеспечить высокое давление кислорода в баллоне, что накладывает ряд дополнительных требований к конструкции баллона и редуктора. Соответствующие недостатки присущи и технологии насыщения жидкости кислородом, реализованной рассматриваемым устройством.
Цель изобретения - повышение эффективности процесса образования газожидкостной смеси, обеспечение требуемой концентрации кислорода в жидкости при рациональном использовании жидкости и воздуха в условиях ограниченного их поступления в емкость, в которой осуществляется образование газожидкостной смеси.
Поставленная цель достигается тем, что в способе производства жидкости, насыщенной кислородом, заключающемся в подаче жидкости в емкость, в верхней части которой происходит ее насыщение кислородом, подаче воздуха из баллона с сжатым воздухом в верхнюю часть емкости, перекачке жидкости из нижней части емкости в ее верхнюю часть посредством помпы высокого давления, поддержании в емкости давления, величина которого не превышает предварительно заданной величины, и подаче полученной жидкости, насыщенной кислородом, (газожидкостной смеси) из емкости к таре потребителя полученной продукции, в отличие от известных технических решений подачу жидкости в емкость осуществляют при помощи насоса, подсоединенного к нижней части емкости, жидкость предварительно охлаждают в нижней части емкости, перекачиваемую из нижней части емкости в верхнюю жидкость распыляют в верхней части емкости, в процессе образования газожидкостной смеси непрерывно контролируют уровень образующейся жидкости, насыщенной кислородом, в верхней части емкости посредством датчика уровня, при этом перекачку жидкости из нижней части емкости в ее верхнюю часть осуществляют только в случае непревышения столбом жидкости, насыщенной кислородом, в емкости предварительно установленного уровня путем включения помпы высокого давления, в процессе образования жидкости, насыщенной кислородом, также непрерывно контролируют температуру среды, содержащей распыляемую в верхней части емкости жидкость (воздушно-капельную среду), посредством датчика температуры, при этом охлаждение жидкости в нижней части емкости посредством компрессора осуществляют только в случае превышения температурой распыляемой жидкости предварительно установленного значения, а подачу полученной жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя полученной продукции осуществляют из области емкости выше зоны охлаждения жидкости и ниже зоны расположения чувствительного элемента датчика уровня.
При этом устройство для производства жидкости, насыщенной кислородом, содержащее емкость, соединенный с ней через редуктор пневмопроводом баллон с сжатым воздухом, помпу высокого давления, вход которой соединен посредством первой гидравлической линии с нижней частью емкости, а выход посредством второй гидравлической линии - с верхней частью емкости, и линию подачи жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя продукции устройства, при этом в верхней части емкости смонтирован перепускной клапан для предохранения емкости от перегрузки давлением, в свою очередь отличается от известных технических решений тем, что емкость разделена на нижнюю и верхнюю части посредством перегородки, в состав устройства включены охватывающий емкость снаружи по периметру в ее нижней части змеевик, сопряженный с компрессором для подачи в змеевик хладагента, и насос для подачи жидкости в емкость, соединенный с ее нижней частью посредством третьей гидравлической линии, при этом в верхней части емкости смонтированы датчик уровня, электрически соединенный с помпой высокого давления, и датчик температуры, электрически соединенный с компрессором, вторая гидравлическая линия, соединяющая выход помпы с верхней частью емкости, со своего конца (патрубка), контактирующего с верхней частью емкости, снабжена распылителем передающейся по ней жидкости, вход линии подачи жидкости (входной патрубок), насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя продукции устройства расположен выше уровня расположения змеевика и ниже чувствительного элемента датчика уровня.
На чертеже отражена общая схема устройства для производства жидкости, насыщенной кислородом, реализующего соответствующую технологию насыщения жидкости кислородом.
Предложенное устройство содержит емкость 1, в которой происходит процесс смешения газа (кислорода) с жидкостью (питьевой водой). Указанная емкость 1 разделена перегородкой 2 на нижнюю и верхнюю части, при этом в процессе эксплуатации устройства в нижнюю часть емкости 1 подается жидкость, а в верхнюю часть - воздух. К верхней части емкости 1 посредством пневмопровода 3 через редуктор 4 подсоединен баллон с сжатым воздухом 5. Редуктор 4 служит для согласования высокого давления воздуха в баллоне с сжатым воздухом 5 (порядка 150 атмосфер) с более низким давлением воздуха в емкости 1 (порядка 3 атмосфер). Жидкость в емкость 1 поступает из какого-либо внешнего резервуара (не показан) через насос 6, подсоединенный к нижней части емкости 1 посредством третьей гидравлической линии 7.
Для реализации высокоэффективного процесса смешения жидкости с газом жидкость из нижней части емкости 1 перекачивается в ее верхнюю часть, а уже там распыляется. Для этого предложенное устройство оснащено помпой высокого давления 8, подсоединенной своим входом к нижней части емкости 1 первой гидравлической линией 9, а своим выходом к верхней части емкости 1 второй гидравлической линией 10. В отличие от устройства-прототипа в предложенном устройстве вторая гидравлическая линия 10 со своего конца, контактирующего с верхней частью емкости, снабжена распылителем 11 передающейся по ней жидкости, что позволяет повысить эффективность смешивания газа с жидкостью, которая после прохождения через распылитель 11 представляет собой совокупность мелкодисперсных частиц.
В верхней части емкости 1, преимущественно на ее верхней стенке, смонтированы перепускной клапан 12 для предохранения емкости от перегрузки давлением, датчик уровня 13, чувствительный элемент которого имеет, например, стержневую форму, а также датчик температуры 14 для отслеживания температуры распыляемой жидкости. При этом датчик уровня 13 электрически соединен с помпой высокого давления 8, а датчик температуры 14 электрически соединен с компрессором 16. Датчик уровня 13 служит для отслеживания в верхней части емкости 1 уровня образующейся там газожидкостной смеси, и в случае необходимости принятия мер по поддержанию в верхней части емкости 1 требуемого уровня газожидкостной смеси. Датчик температуры 14, в свою очередь, служит для обеспечения пониженной (по сравнению с комнатной) температуры распыляемой жидкости, что представляется существенным с позиции эффективности смешения в верхней части емкости 1 содержащегося в воздухе кислорода с жидкостью.
С целью предварительного охлаждения жидкости в нижней части емкости 1 по ее наружному периметру установлен змеевик 15, сопряженный с компрессором 16 для подачи в змеевик 15 хладагента. Предложенное устройство, как и все аналогичные технические решения, оснащено линией подачи 17 газожидкостной смеси из емкости к таре потребителя продукции устройства 18 с краном 19 на конце, однако в отличие от них вход указанной линии подачи 17 расположен в верхней части емкости 1: несколько выше уровня расположения змеевика 15 и ниже чувствительного элемента датчика уровня 13.
Предложенное устройство и соответственно реализуемый им способ насыщения жидкости кислородом работают следующим образом.
В емкость 1 предварительно закачивают жидкость (питьевую воду). Для этого оператор устройства включает насос 6, и жидкость, откачиваемая из внешнего резервуара (не показан) по третьей гидравлической линии 7, подается в нижнюю часть емкости 1. По заполнении нижней части емкости 1 вплоть до самой перегородки 2 насос 6 отключают. Одновременно из баллона с сжатым воздухом 5 через редуктор 4 по пневмопроводу 3 в верхнюю часть емкости 1 подается воздух. Для того чтобы реализовать откачку жидкости из нижней части емкости 1 в ее верхнюю часть, где осуществляется ее смешение с кислородом, в состав устройства включена помпа высокого давления 8. Включенная помпа высокого давления 8 перекачивает жидкость из нижней части емкости 1 в ее верхнюю часть. При этом перекачиваемая жидкость сначала проходит через первую гидравлическую линию 9, а затем через вторую гидравлическую линию 10. На выходе второй гидравлической линии 10, т.е. с ее конца, расположенного со стороны верхней части емкости 1, выполнен распылитель 11 передающейся по ней жидкости. Таким образом, в верхней части емкости 1 собираются вместе находящийся под давлением воздух и мелкодисперсные капли жидкости.
Для того чтобы указанные капли жидкости эффективно реагировали с содержащимся в воздухе кислородом, находящаяся в нижней части емкости 1 жидкость предварительно охлаждается посредством расположенного снаружи емкости 1 по ее периметру змеевика 15, хладагент в который подается с компрессора 16. В целях поддержания заданной температуры жидкости постоянно контролируется температура распыляемой жидкости посредством датчика температуры 14, установленного в верхней части емкости 1 (преимущественно в ее верхней стенке). В том случае, если температура распыленной жидкости превысит предварительно установленное значение, например + 10°С, то соответствующий электрический сигнал поступит к компрессору 16, активизируя его. Если температура распыляемой жидкости укладывается в установленные пределы, в целях экономии электроэнергии компрессор 16 находится в отключенном состоянии. Принцип работы такого узла заявленного устройства как «датчик температуры - компрессор - змеевик» аналогичен принципу работы подобных узлов в любом современном холодильнике. Охлажденная жидкость (питьевая вода охлаждается до +5 ÷ + 10°С) обладает способностью гораздо лучше растворять в себе кислород, чем аналогичная жидкость, имеющая комнатную температуру. Вследствие того, что жидкость предварительно охлаждена, а воздух находится под давлением порядка 3-х атмосфер, содержащийся в нем кислород достаточно эффективно растворяется в каплях жидкости и в виде осадков полученный продукт смешения опускается в низ верхней части емкости 1 до перегородки 2. Полученная газожидкостная смесь по линии подачи 17 газожидкостной смеси вследствие более высокого давления в верхней части емкости 1 (порядка 3-х атмосфер) по сравнению с обычным давлением окружающей нас среды подается из емкости 1 к таре потребителя продукции устройства 18. Для активации данного процесса нужно только открыть кран 19.
В процессе образования газожидкостной смеси непрерывно регулируется давление в емкости посредством расположенного в верхней части (преимущественно в верхней стенке) емкости 1 перепускного клапана 12, который настроен на определенную предельную величину давления в емкости 1. Как только давление в емкости 1 превысит указанную величину, перепускной клапан 12 открывается и выпускает из емкости избыточный газ, вследствие чего давление в емкости 1 стабилизируется. Помимо контроля давления в верхней части емкости 1 в ней также непрерывно измеряется уровень газожидкостной смеси. Недостаточный уровень газожидкостной смеси в верхней части емкости 1 чреват тем, что резко снизится эффективность процесса смешения жидкости с газом вследствие того, что нарушится оптимальная пропорция воздуха и распыляемой жидкости, при которой происходит эффективное перемешивание жидкости с содержащимся в воздухе кислородом. Для предотвращения данного эффекта непрерывно контролируется уровень образующейся в верхней части емкости 1 газожидкостной смеси посредством смонтированного в верхней части емкости 1 (преимущественно в ее верхней стенке) датчика уровня 13. Как только уровень образующейся в верхней части емкости 1 газожидкостной смеси вследствие ее потребления опустится ниже некого критического уровня, она перестанет контактировать с чувствительным элементом датчика уровня 13. Чувствительный элемент последнего может быть выполнен, например, стержневой формы в виде небольшого стержня из электропроводного материала, в частности из нержавеющей стали. Как только электропроводящая газожидкостная смесь перестанет контактировать с чувствительным элементом датчика уровня 13, разомкнется электрический контакт между стержнем датчика и вторым электродом датчика, присоединенным непосредственно к корпусу емкости (в случае его выполнения из электропроводящего материала). Естественно в качестве датчика уровня 13 может быть использован датчик уровня жидкости, работающей на каком-либо ином физическом принципе, например фотоэлектрический датчик или ультразвуковой датчик.
Вследствие срабатывания датчика уровня 13 на помпу высокого давления 8 будет передан электрический сигнал, инициирующий ее включение, и она, как было указано выше, начнет активно перекачивать жидкость из нижней части емкости 1 в отделенную от нее перегородкой 2 верхнюю часть, где жидкость будет распылена. Как следствие, уровень газожидкостной смеси в верхней части емкости 1 будет увеличиваться, и это будет происходить до тех пор, пока она снова не поднимется до уровня замыкания контакта чувствительного элемента датчика уровня 13. В этом случае датчик уровня 13 сработает в обратную сторону, помпа высокого давления 7 будет отключена, и жидкость перестанет перекачиваться из нижней части в верхнюю.
Предложенный способ производства жидкости, насыщенной кислородом, а также устройство для реализации данного способа позволяют организовать высокоэффективное производство экологически чистой полезной питьевой воды, обогащенной кислородом. Устройство сравнительно просто в изготовлении и удобно в эксплуатации, поскольку оно может быть изготовлено на базе стандартных комплектующих, и в основу его работы положены хорошо изученные и апробированные на практике физические принципы.
1. Способ производства жидкости, насыщенной кислородом, заключающийся в подаче жидкости в емкость, в верхней части которой происходит ее насыщение кислородом, с одновременной подачей воздуха из баллона со сжатым воздухом в верхнюю часть емкости и перекачкой жидкости из нижней части емкости в ее верхнюю часть посредством помпы высокого давления, при этом в емкости поддерживают давление, величина которого не превышает предварительно заданной величины, а подачу полученной жидкости, насыщенной кислородом, проводят из емкости в тару потребителя полученной продукции, отличающийся тем, что подачу жидкости в емкость осуществляют при помощи насоса, гидравлически соединенного с нижней частью емкости, перед перекачкой жидкости из нижней части емкости в верхнюю ее предварительно охлаждают в нижней части емкости посредством компрессора, затем распыляют ее в верхней части емкости, при этом в процессе образования жидкости, насыщенной кислородом, в верхней части емкости непрерывно контролируют ее уровень посредством датчика уровня, причем перекачку жидкости из нижней части емкости в верхнюю осуществляют периодически включением помпы высокого давления только в случае непревышения столбом жидкости, насыщенной кислородом, в верхней части емкости предварительно установленного уровня, в процессе образования жидкости, насыщенной кислородом, непрерывно контролируют температуру распыляемой воздушно-капельной среды в верхней части емкости посредством датчика температуры, при этом охлаждение жидкости в нижней части емкости компрессором производят только в случае превышения температурой распыляемой воздушно-капельной среды предварительно установленного значения, контролируемого датчиком температуры, а подачу полученной жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя осуществляют из зоны, расположенной в верхней части емкости ниже чувствительного элемента датчика уровня.
2. Устройство для производства жидкости, насыщенной кислородом, содержащее емкость, соединенный с ней пневмопроводом через редуктор баллон с сжатым воздухом, помпу высокого давления, вход которой соединен посредством первой гидравлической линии с нижней частью емкости, а выход посредством второй гидравлической линии - с верхней частью емкости, и линию подачи жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя, при этом в верхней части емкости смонтирован перепускной клапан для предохранения емкости от перегрузки давлением, отличающееся тем, что емкость разделена на нижнюю и верхнюю части посредством перегородки, в состав устройства включены охватывающий емкость снаружи по периметру в ее нижней части змеевик, сопряженный с компрессором для подачи в змеевик хладагента, и насос для подачи жидкости в емкость, соединенный с ее нижней частью посредством третьей гидравлической линии, при этом в верхней части емкости смонтированы датчик уровня, электрически соединенный с помпой высокого давления, и датчик температуры, электрически соединенный с компрессором, а патрубок второй гидравлической линии, смонтированный в верхней части емкости, снабжен распылителем передающейся по ней жидкости, входной патрубок линии подачи жидкости, насыщенной кислородом, из емкости к таре потребителя расположен выше уровня расположения змеевика и ниже чувствительного элемента датчика уровня.
