Способ обеззараживания жидкости и устройство для его осуществления (варианты)

Предлагаемое изобретение относится к системам обеззараживания жидких оптически прозрачных сред и может найти применение в области медицины (для обеззараживания жидких лекарственных форм) и пищевой промышленности при производстве напитков различных наименований, в частности пива. Способ обеззараживания жидкости, включает создание потока из обеззараживаемой жидкости с последующим воздействием на созданный поток электромагнитным излучением, поток из обеззараживаемой жидкости создают кольцевым и сплошным в поперечном сечении, формируют узконаправленный пучок непрерывного лазерного излучения, а воздействие электромагнитным излучением на созданный поток осуществляют путем кругового сканирования потока сформированным пучком лазерного излучения наклонно к направлению движения потока и при многократном переотражении пучка лазерного излучения внутри потока. Устройство для обеззараживания жидкости содержит камеру для формирования потока жидкости с входными и выходными патрубками и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость. Устройство также снабжено вращающимся зеркальным элементом с приводом, подключенным к блоку управления, камера для формирования потока жидкости смонтирована из двух коаксиально расположенных цилиндров с образованием зазора для прохода жидкости, на внутреннем цилиндре камеры предусмотрено окно кольцеобразной формы для прохода электромагнитного излучения, причем оси вращения зеркального элемента и цилиндров камеры совмещены, а источник электромагнитного излучения выполнен в виде лазерного излучателя непрерывного действия, оптически сопряженного через вращающийся зеркальный элемент и окно внутреннего цилиндра с обращенными друг к другу боковыми стенками камеры. В варианте исполнения в способе обеззараживания жидкости, включающем создание потока из обеззараживаемой жидкости и последующее воздействие на созданный поток электромагнитным излучением, поток из обеззараживаемой жидкости создают в форме полого цилиндра в его поперечном сечении, электромагнитное излучение формируют в виде узконаправленного пучка лазерного излучения, преобразуют его в световой поток воронкообразной формы и воздействие электромагнитного излучения на созданный поток осуществляют путем совмещения оптической оси сформированного светового потока с геометрической осью потока обеззараживаемой жидкости. В устройстве для обеззараживания жидкости, содержащем камеру для формирования потока жидкости, с входными и выходными патрубками, и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость, дополнительно содержится зеркальный конус, камера для формирования потока жидкости смонтирована из двух коаксиально расположенных полых цилиндров с образованием зазора для прохода жидкости, на внутреннем цилиндре камеры предусмотрено окно для прохода электромагнитного излучения, при этом зеркальный конус установлен на оси коаксиально расположенных цилиндров, источник электромагнитного излучения выполнен в виде последовательно установленных лазерного генератора и коллиматора и оптически сопряжен через зеркальный конус и окно внутреннего цилиндра с обращенными друг к другу боковыми стенками камеры. Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности при обслуживании, а также в упрощении конструктивного исполнения устройства для реализации способа. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к системам обеззараживания жидких оптически прозрачных сред и может найти применение в области медицины (для обеззараживания жидких лекарственных форм) и пищевой промышленности при производстве напитков различных наименований, в частности пива.

Известны способы обеззараживания жидких сред, основанные на создании потока жидкости с последующим воздействием на него электромагнитным излучением.

Устройства для реализации способа содержат рабочую камеру с размещенными в ней лампами УФ-излучения (см. Заявка РФ №99104493/13, МПК A 61 L 2/10, публ. 10.03.01, БИПМ №7(1 ч.), а.с. СССР №276813, МПК С 02 С 3/00, 1969 г. и пат. США №1005757, МПК A 23 L 3/26, 1981 г.).

Недостатком приведенных конструкций является пониженное качество обеззараживания.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ обеззараживания жидкости, включающий создание потока из обеззараживаемой жидкости с последующим воздействием на созданный поток электромагнитным излучением.

Устройство для обеззараживания жидкости содержит камеру для формирования потока жидкости, с входными и выходными патрубками, и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость (см. а.с. СССР №1747010, МПК A 23 L 3/28, 1992 г.).

Недостатками данного технического решения являются пониженная надежность, сложность конструкции и обслуживания, связанные с наличием большого количества импульсных ламп.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности, а также в упрощении конструкции и обслуживании устройства.

В соответствии с предлагаемым изобретением указанный технический результат достигается тем, что в способе обеззараживания жидкости, включающем создание потока из обеззараживаемой жидкости с последующим воздействием на созданный поток электромагнитным излучением, поток из обеззараживаемой жидкости создают кольцевым и сплошным в поперечном сечении, формируют узконаправленный пучок непрерывного лазерного излучения, а воздействие электромагнитным излучением на созданный поток осуществляют путем кругового сканирования потока сформированным пучком лазерного излучения наклонно к направлению движения потока и при многократном переотражении пучка лазерного излучения внутри потока.

Кроме того, подачу пучка лазерного излучения при сканировании потока жидкости сплошного кольцевого сечения осуществляют со стороны внутренней поверхности потока и наклонно к направлению его движения.

Кроме того, круговую частоту сканирования потока ω выбирают из условия

ω>V/d_эф., где

V - скорость движения потока;

d_эф. - диаметр эффективного пятна пучка лазерного излучения в области потока.

Кроме того, скорость движения потока определяют по формуле

V=Q/(7πD²/4-πd²/4), где

Q - расход обеззараживаемой жидкости в потоке;

D - наружный диаметр сформированного кольцевого потока;

d - внутренний диаметр сформированного кольцевого потока.

Устройство для обеззараживания жидкости, содержащее камеру для формирования потока жидкости, с входными и выходными патрубками, и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость, снабжено вращающимся зеркальным элементом с приводом, подключенным к блоку управления, камера для формирования потока жидкости смонтирована из двух коаксиально расположенных цилиндров с образованием зазора для прохода жидкости, на внутреннем цилиндре камеры предусмотрено окно кольцеобразной формы для прохода электромагнитного излучения, причем оси вращения зеркального элемента и цилиндров камеры совмещены, а источник электромагнитного излучения выполнен в виде лазерного излучателя непрерывного действия, оптически сопряженного через вращающийся зеркальный элемент и окно внутреннего цилиндра с обращенными друг к другу боковыми стенками камеры.

Кроме того, привод зеркального элемента выполнен в виде вентильного двигателя, обмотки управления которого подключены к блоку управления.

Кроме того, устройство дополнительно содержит расходомер, установленный на выходе камеры и подключенный к блоку управления.

Кроме того, одноименные патрубки камеры установлены радиально и равномерно по торцам коаксиально расположенных цилиндров.

Кроме того, обращенные друг к другу боковые поверхности коаксиально расположенных цилиндров выполнены зеркальными.

В варианте исполнения в способе обеззараживания жидкости, включающем создание потока из обеззараживаемой жидкости и последующее воздействие на созданный поток электромагнитным излучением, поток из обеззараживаемой жидкости создают в форме полого цилиндра в его продольном сечении, электромагнитное излучение формируют в виде светового потока воронкообразной формы и воздействие электромагнитного излучения на созданный поток осуществляют путем совмещения оптической оси сформированного светового потока с геометрической осью потока обеззараживаемой жидкости.

В устройстве для обеззараживания жидкости, содержащем камеру, для формирования потока жидкости, с входными и выходными патрубками, и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость, дополнительно содержится зеркальный конус, камера для формирования потока жидкости смонтирована из двух коаксиально расположенных полых цилиндров с образованием зазора для прохода жидкости, на внутреннем цилиндре камеры предусмотрено окно для прохода электромагнитного излучения, при этом зеркальный конус установлен на оси коаксиально расположенных цилиндров, источник электромагнитного излучения выполнен в виде последовательно установленных лазерного генератора и коллиматора и оптически сопряжен через зеркальный конус и окно внутреннего цилиндра с обращенными друг к другу боковыми стенками камеры.

На фиг.1 представлено устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - то же, место - I в увеличенном масштабе на фиг.1; на фиг.3 - то же, вариант исполнения.

Для формирования потока обеззараживаемой жидкости - 1 устройство содержит камеру, смонтированную из двух коаксиально расположенных цилиндров - 2 и 3 с образованием зазора для прохода жидкости - 1. По торцам цилиндров - 2 и 3 предусмотрены радиально и равномерно установленные (с целью обеспечения ламинарного потока с одинаковой скоростью V по сечению потока) входные и выходные патрубки - 4 и 5 для подачи и вывода жидкости из рабочей камеры. На цилиндре - 3 камеры предусмотрено окно - 6 кольцеобразной формы из оптически прозрачного материала.

Устройство содержит также вентильный двигатель - 7, на роторе - 8 которого установлено наклонное зеркало - 9, при этом ось ротора совмещена с осями цилиндров - 2 и 3, а обмотки двигателя - 7 подключены к блоку управления - 10. Напротив зеркала - 9 установлен подключенный к блоку - 10 лазерный излучатель - 11 непрерывного действия для формирования пучка УФ-диапазона волн. Излучатель - 11 через зеркало - 9 и окно - 6 оптически сопряжен с обращенными друг к другу боковыми поверхностями (стенками) цилиндров - 2 и 3.

Для обеспечения многократного переотражения лазерного пучка (что усиливает бактерицидное действие излучения) последний подается наклонно к направлению (V) потока жидкости - 1, а вышеупомянутые боковые поверхности цилиндров - 2 и 3 выполнены зеркальными (что может быть достигнуто использованием в качестве материала для цилиндров - 2 и 3 пищевой нержавеющей стали марки 12Х18 Н(9)10Т с последующей полировкой рабочих поверхностей).

Реализация способа по схеме, изложенной выше, осуществляется следующим образом.

С пульта управления - 10 подают команду на запуск излучателя - 11, двигателя - 7 и гидронасоса (на графических материалах условно не показано) для подачи жидкости - 1 через патрубки - 4 в рабочую камеру (жидкость - 1 в рабочую камеру может подаваться также самотеком, с расположением питающей емкости выше уровня рабочей камеры).

После подачи жидкости - 1 в рабочей камере между цилиндрами - 2 и 3 формируется ламинарный поток кольцевого сплошного сечения, движущийся со скоростью V. При прохождении потоком области, расположенной напротив окна - 6, на жидкость - 1 осуществляется воздействие пучком УФ-излучения, сформированного излучателем - 11 и переотраженным вращающимся зеркалом - 9. При круговом сканировании потока излучением через окно - 6 производится обеззараживающее действие пучком УФ-излучения на поток по всему его поперечному сечению без разрывов и в непрерывном режиме. Для увеличения бактерицидного действия излучения пучок последнего (с диаметром эффективного пятна - d_эф. в области жидкости - 1) подают наклонно к направлению движения потока (под углом α к внутренней поверхности цилиндра - 2, см. фиг.2), чем достигают многократное переотражение пучка от зеркальных стенок рабочей камеры. Для обеспечения воздействия первичного (не переотраженного) пучка излучения на весь объем жидкости - 1, проходящий через зазор между цилиндрами - 2 и 3, круговую частоту - со сканирования потока выбирают исходя из условия

V - скорость движения потока;

d_эф. - диаметр эффективного пятна пучка лазерного излучения в области потока.

После процесса обеззараживания жидкость через выходные патрубки - 5 подают на расходомер - 12, подключенный к блоку управления - 10, и далее собирают в емкость - 13. На основании расхода Q жидкости - 1 определяют скорость движения ее потока V в рабочей камере согласно формулы

Q - расход обеззараживаемой жидкости в потоке;

D - наружный диаметр сформированного кольцевого потока;

d - внутренний диаметр сформированного кольцевого потока.

В соответствии с полученной скоростью V, путем подачи управляющего сигнала с блока управления - 10 на обмотки двигателя - 7, ротору - 8 задается необходимая скорость вращения для обеспечения круговой частоты сканирования ω согласно (1).

Рассмотрим вариант исполнения устройства для реализации варианта способа обеззараживания жидкости (см. фиг.3).

Для формирования потока жидкости - 1 устройство содержит рабочую камеру в форме полого цилиндра в продольном сечении. Конструкция камеры выполнена идентичной исполнению, изображенному на фиг.1, при этом нумерация позиций элементов камеры сохранена.

Источник электромагнитного излучения устройства для бактерицидного воздействия на жидкость - 1 выполнен в виде последовательно установленных лазерного генератора - 14, коллиматора - 15, который оптически сопряжен через зеркальный конус - 16 (установленный на оси коаксиально расположенных цилиндров - 2 и 3) и входное окно - 6 внутреннего цилиндра - 3 с внутренними стенками рабочей камеры.

Реализация способа по схеме, изображенной на фиг.3, осуществляется следующим образом.

Формируют узконаправленный пучок лазерного излучения с помощью генератора - 14, расширяют сформированный пучок коллиматором - 15 и подают расширенный пучок на зеркальный конус - 16 со стороны его вершины. При этом формируется световой поток в виде пучка - 17 воронкообразной формы, который подают через окно - 6 наклонно к направлению потока жидкости - 1 по всему его периметру (для получения вышеуказанного эффекта угол зеркального конуса - 16 при вершине выбирают отличным от прямого).

Световое излучение (поток), проходя через слой жидкости - 1, многократно переотражается от внутренних боковых зеркальных стенок рабочей камеры (ввиду его наклонной подачи), чем достигается повышенное бактерицидное воздействие на обеззараживаемую жидкость - 1.

Интенсивность светового пучка с генератора - 14 регулируют в соответствии со скоростью прохождения потока жидкости (скорость потока можно определять как по его расходу, так и по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от потока излучения, см., например, пат. РФ №2221485, МПК А 61 5/145, заявка №2002107697 от 27.03.02 и пат. №2173082, заявка №2000100450 от 11.01.00).

Обеззараженная жидкость через выходные патрубки - 5 поступает в емкость для ее сбора (на фиг.3 условно не показано) и далее на линию по разливу и упаковки готового продукта.

Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущество по сравнению с известным, а именно повышается надежность, упрощается конструктивное исполнение и процесс обслуживания (особенно при проведении регламентных работ) за счет наличия всего лишь одного излучателя, который расположен вне зоны рабочей камеры устройства. Кроме того, повышается безопасность при эксплуатации изделия (т.к. отсутствуют высоковольтные источники, расположенные в зоне токопроводящей обеззараживаемой жидкости).

Следовательно, предлагаемое техническое решение при использовании дает положительный технический результат, заключающийся в повышении надежности и безопасности при обслуживании, а также в упрощении конструктивного исполнения устройства для реализации способа.

1. Способ обеззараживания жидкости, включающий создание потока из обеззараживаемой жидкости и последующее воздействие на созданный поток электромагнитным излучением, отличающийся тем, что поток из обеззараживаемой жидкости создают кольцевым и сплошным в поперечном сечении, формируют узконаправленный пучок непрерывного лазерного излучения, а воздействие электромагнитным излучением на созданный поток осуществляют путем кругового сканирования потока сформированным пучком лазерного излучения наклонно к направлению движения потока и при многократном переотражении пучка лазерного излучения внутри потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу пучка лазерного излучения при сканировании потока жидкости сплошного кольцевого сечения осуществляют со стороны внутренней поверхности потока.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что круговую частоту сканирования потока ω выбирают из условия:

ω>V/d_эф.,

где V - скорость движения потока;

d_эф. - диаметр эффективного пятна пучка лазерного излучения в области потока.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что скорость движения потока определяют по формуле:

V=Q/(πD²/4-7πd²/4),

где Q - расход обеззараживаемой жидкости в потоке;

D - наружный диаметр сформированного кольцевого потока;

d - внутренний диаметр сформированного кольцевого потока.

5. Устройство для обеззараживания жидкости, содержащее камеру для формирования потока жидкости с входными и выходными патрубками и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость, отличающееся тем, что оно снабжено вращающимся зеркальным элементом с приводом, подключенным к блоку управления, камера для формирования потока жидкости смонтирована из двух коаксиально расположенных полых цилиндров с образованием зазора для прохода жидкости, на внутреннем цилиндре камеры предусмотрено окно кольцеобразной формы для прохода электромагнитного излучения, причем оси вращения зеркального элемента и цилиндров камеры совмещены, а источник электромагнитного излучения выполнен в виде лазерного излучателя непрерывного действия, оптически сопряженного через вращающийся зеркальный элемент и окно внутреннего цилиндра с обращенными друг к другу боковыми стенками камеры.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что привод зеркального элемента выполнен в виде вентильного двигателя, обмотки управления которого подключены к блоку управления.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расходомер, установленный на выходе камеры и подключенный к блоку управления.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что одноименные патрубки камеры установлены радиально и равномерно по торцам коаксиально расположенных цилиндров.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что обращенные друг к другу боковые поверхности коаксиально расположенных цилиндров выполнены зеркальными.

10. Способ обеззараживания жидкости, включающий создание потока из обеззараживаемой жидкости и последующее воздействие на созданный поток электромагнитным излучением, отличающийся тем, что поток из обеззараживаемой жидкости создают в форме полого цилиндра в его поперечном сечении, электромагнитное излучение формируют в виде узконаправленного пучка лазерного излучения, преобразуют его в световой поток воронкообразной формы и воздействие электромагнитного излучения на созданный поток осуществляют путем совмещения оптической оси сформированного светового потока с геометрической осью потока обеззараживаемой жидкости.

11. Устройство для обеззараживания жидкости, содержащее камеру для формирования потока жидкости с входными и выходными патрубками и подключенный к блоку управления источник электромагнитного излучения, воздействующий на обеззараживаемую жидкость, отличающееся тем, что оно снабжено зеркальным конусом, камера для формирования потока жидкости смонтирована из двух коаксиально расположенных полых цилиндров с образованием зазора для прохода жидкости, на внутреннем цилиндре камеры предусмотрено окно для прохода электромагнитного излучения, при этом зеркальный конус установлен на оси коаксиально расположенных цилиндров, источник электромагнитного излучения выполнен в виде последовательно установленных лазерного генератора и коллиматора и оптически сопряжен через зеркальный конус и окно внутреннего цилиндра с обращенными друг к другу боковыми стенками камеры.