Способ обеззараживания жидкости и гелиоэнергетический комплекс для его осуществления

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, например в установках для обеззараживания воды, использующих для уничтожения патогенной микрофлоры ультрафиолетовую часть солнечного излучения. В соответствии с изобретением в способе обеззараживания жидкости, основанном на приеме светового потока солнечной энергии, выделении из принятого потока компоненты излучения УФ-диапазона волн, концентрации выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн для ее воздействия на сформированный поток обеззараживаемой жидкости при подаче последнего вдоль области концентрации компоненты излучения УФ-диапазона волн, концентрацию выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн осуществляют путем ее фокусировки в замкнутой области кольцевой формы, определяют плотность УФ-излучения в принимаемом световом потоке солнечной энергии и осуществляют подачу сформированного потока обеззараживаемой жидкости вдоль области кольцевой формы с заданной скоростью потока, перед воздействием на поток обеззараживаемой жидкости фокусируемой компонентой излучения УФ-диапазона волн, преобразуют последнюю в параллельный пучок кольцевого сечения, поток обеззараживаемой жидкости формируют с поперечным сечением прямоугольной формы. В гелиоэнергетическом комплексе для обеззараживания жидкости, содержащем концентратор солнечной энергии УФ-диапазона волн, расположенный на несущей конструкции, гидросистему в виде циркуляционного контура обеззараживаемой жидкости, включающего последовательно соединенные гидронасос, подключенный к блоку управления, полую кювету трубчатого сечения для прохода обеззараживаемой жидкости, выполненную из оптически прозрачного материала, смонтированную в фокальной области концентратора, и контрольный элемент, подключенный к системе слежения за Солнцем, отражающая поверхность концентратора солнечной энергии УФ-диапазона волн образована телом вращения ω-образной формы в осевом сечении, а полая кювета выполнена кольцеобразной замкнутой формы и с прямоугольным поперечным сечением. Отражающая поверхность концентратора образована вращением дуги окружности относительно прямой, параллельной оси симметрии дуги окружности, или вращением дуги параболы со стороны ее вершины относительно прямой, параллельной оси параболы, полая кювета смонтирована на стойках, жестко связанных с несущей конструкцией, при этом две из стоек выполнены полыми, а полая кювета подключена к циркуляционному контуру через полости вышеупомянутых двух стоек, в полой кювете предусмотрена герметичная перегородка, при этом одноименные концы полых стоек подключены к полости кюветы по разные стороны ее герметичной перегородки. Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении процесса наведения на Солнце, также в повышении производительности (увеличении объема обработанной жидкости в единицу времени) и улучшении качества обеззараживаемой жидкости. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, например в установках для обеззараживания воды, использующих для уничтожения патогенной микрофлоры ультрафиолетовую часть солнечного излучения.

Известны способы обеззараживания жидкости, основанные на формировании потока жидкости с последующим воздействием на сформированный поток электромагнитным излучением УФ-диапазона волн.

Системы для реализации способов содержат источники импульсного УФ-излучения и гидравлический контур для создания потока обеззараживаемой жидкости (см, например, а.с. СССР №276813, МПК С 02 С 3/00, 1969 г, пат. США №1005757, МПК А 23 L 3/26, 1981 г., а.с. СССР №981238, МПК С 02 F 1/32, 1982 г.).

Существенным недостатком приведенных технических решений является отсутствие автономности, связанное с обязательным наличием внешних источников электрической энергии, обеспечивающих работоспособность систем по обеззараживанию жидких сред.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ обеззараживания жидкости, основанный на приеме светового потока солнечной энергии, выделении из принятого потока компоненты излучения УФ-диапазона волн, концентрации выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн для ее воздействия на сформированный поток обеззараживаемой жидкости при подаче последнего вдоль области концентрации компоненты излучения УФ-диапазона волн, см. научно-технический межотраслевой журнал «Интеграл», №2 (22), март-апрель 2005 г., стр.9-12, фото 9 (заявка №2004105121 от 25.02.2004 г., МПК F 24 J 2/14, 2/18, положительное решение о выдаче патента от 1.03.2005 г.).

Гелиоэнергетический комплекс для осуществления способа обеззараживания жидкости содержит концентратор солнечной энергии УФ-диапазона волн, расположенный на несущей конструкции, гидросистему в виде циркуляционного контура обеззараживаемой жидкости, включающего последовательно соединенные гидронасос и полую кювету трубчатого сечения для прохода обеззараживаемой жидкости, выполненную из оптически прозрачного материала, расположенную в фокальной области концентратора, и контрольный элемент, выход которого связан с системой слежения за Солнцем.

Недостатками приведенных технических решений является относительная сложность контроля наведения на Солнце концентратора, образованного набором плоских фацет, а также относительно низкая производительность (объем жидкости, который подвергается обеззараживанию в единицу времени), обусловленная тем, что скорость прокачки жидкости через кювету трубчатого сечения постоянна.

С помощью предлагаемого технического решения достигается технический результат, заключающийся в упрощении процесса наведения на Солнце и повышении производительности процесса обеззараживания жидкости.

В соответствии с предлагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе обеззараживания жидкости, основанном на приеме светового потока солнечной энергии, выделении из принятого потока компоненты излучения УФ-диапазона волн, концентрации выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн для ее воздействия на сформированный поток обеззараживаемой жидкости при подаче последнего вдоль области концентрации компоненты излучения УФ-диапазона волн, концентрацию выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн осуществляют путем ее фокусировки в замкнутой области кольцевой формы, определяют плотность УФ-излучения в принимаемом световом потоке солнечной энергии и осуществляют подачу сформированного потока обеззараживаемой жидкости вдоль области кольцевой формы со скоростью - V исходя из условия:

V≤k·I·πD/E,

где k - коэффициент концентрации УФ-излучения принимаемого светового потока,

I - плотность УФ-излучения в принимаемом световом потоке солнечной энергии,

D - средний диаметр замкнутой кольцевой области фокусируемой компоненты УФ-диапазона волн,

Е - минимально допустимая доза УФ-облучения для обеззараживания жидкости.

Кроме того, перед воздействием на поток обеззараживаемой жидкости фокусируемой компонентой излучения УФ-диапазона волн преобразуют последнюю в параллельный пучок кольцевого сечения.

Кроме того, поток обеззараживаемой жидкости формируют с поперечным сечением прямоугольной формы.

В гелиоэнергетическом комплексе для обеззараживания жидкости, содержащем концентратор солнечной энергии УФ-диапазона волн, расположенный на несущей конструкции, гидросистему в виде циркуляционного контура обеззараживаемой жидкости, включающего последовательно соединенные гидронасос, подключенный к блоку управления, полую кювету трубчатого сечения для прохода обеззараживаемой жидкости, выполненную из оптически прозрачного материала, смонтированную в фокальной области концентратора, и контрольный элемент, подключенный к системе слежения за Солнцем, отражающая поверхность концентратора солнечной энергии УФ-диапазона волн образована телом вращения ω-образной формы в осевом сечении, а полая кювета выполнена кольцеобразной замкнутой формы и с прямоугольным поперечным сечением.

Кроме того, отражающая поверхность концентратора образована вращением дуги окружности относительно прямой параллельной оси симметрии дуги окружности.

Кроме того, отражающаяся поверхность концентратора образована вращением дуги параболы со стороны ее вершины относительно прямой, параллельной оси параболы.

Кроме того, полая кювета смонтирована на стойках, жестко связанных с несущей конструкцией, при этом две из стоек выполнены полыми, а полая кювета подключена к циркуляционному контуру через полости вышеупомянутых двух стоек.

Кроме того, в полой кювете предусмотрена герметичная перегородка, при этом одноименные концы полых стоек подключены к полости кюветы по разные стороны ее герметичной перегородки.

Кроме того, контрольный элемент выполнен в виде устройства преобразования световой энергии в фототек, подключенного к блоку управления, смонтирован в светонепроницаемом стакане с фильтром УФ-излучения на его входе и размещен с тыльной стороны концентратора напротив окна, предусмотренного в центральной области концентратора.

Кроме того, комплекс дополнительно содержит расходомер, установленный на выходе циркуляционного контура обеззараживаемой жидкости и подключенный к блоку управления.

Кроме того, на дальнюю от концентратора поверхность кюветы нанесено светоотражающее покрытие.

Кроме того, спектральная полоса пропускания фильтра УФ-излучения контрольного элемента идентична спектральной полосе УФ-излучения, отражаемого от рабочей поверхности концентратора.

Кроме того, комплекс дополнительно содержит оптический элемент кольцеобразной формы в форме отрицательной линзы в поперечном сечении, установленный перед полой кюветой на входе УФ-излучения.

На фиг.1 изображен общий вид гелиоэнергетического комплекса для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - ход лучей через оптические элементы конструкции в процессе обеззараживания жидкости; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

Гелиоэнергетический комплекс включает в себя несущую конструкцию-1 и установленный на несущей конструкции-1 концентратор-2 солнечной энергии УФ-диапазона волн. Отражающая поверхность концентратора-2 выполнена в виде тела вращения ω-образной формы в продольном (осевом) сечении и может быть образована, например, вращением дуги параболы со стороны ее вершины относительно прямой, параллельной оси параболы (см. фиг.2) или вращением дуги окружности относительно прямой параллельной оси симметрии дуги окружности (в графических материалах условно не показано).

На рабочую поверхность концентратора-2 нанесено отражающее покрытие, селективное к УФ-диапазону волн. В виду того, что бактерицидным эффектом УФ-излучение обладает в диапазоне длин волн λ=1850-4000 А° (см. сборник «Ультрафиолетовое излучение», изд. Медицина, 1970-1971 г.), отражающее покрытие концентратора-2 выполнено многослойным интерференционным, отражающим УФ-излучение в вышеуказанном диапазоне.

В фокальной области концентратора-2, имеющей замкнутый кольцевой профиль, расположена полая кювета-3 для прохода обеззараживаемой жидкости-4, выполненная в виде изогнутой прозрачной трубки прямоугольного сечения (трубка имеет форму замкнутого кольца и изготовлена из кварцевого стекла). На дальнюю от концентратора-2 поверхность кюветы-3 нанесено зеркальное покрытие-5 для обеспечения дополнительного (вторичного) воздействия УФ-излучения на обеззараживаемую жидкость-4.

Кювета-3 смонтирована на стойках-6, жестко связанных с несущей конструкцией-1, причем две стойки-7 из имеющихся выполнены полыми, сообщающимися одноименными концами с полостью кюветы-3 по разные стороны герметичной перегородки-8, предусмотренной в ее полости (см. фиг.3).

Посредством свободных концов полых стоек-7 кювета-3 в области несущей конструкции-1 подключена к циркуляционному контуру-9, по которому происходит подача обеззараживаемой жидкости-4.

Циркуляционный контур-9 включает в себя последовательно установленные на его входе гидронасос-10, подключенный к блоку управления-11, и фильтрующее устройство-12, гидравлически связанное с полостью кюветы-3 через полость одной из стоек-7, при этом полость кюветы-3 через полость второй стойки-7 подключена к выходу контура-9, где предусмотрен расходомер-13, подключенный к блоку управления-11.

Для формирования управляющих сигналов в конструкции предусмотрен контрольный элементен, выполненный в виде устройства преобразования световой энергии в фототок (например, 4-х площадочного фотодатчика).

Контрольный элемент-14 смонтирован в светонепроницаемом стакане-15 с фильтром-16 УФ-излучения на его входе, спектральная полоса пропускания которого выбрана идентичной спектральной полосе УФ-излучения, отражаемого от рабочей поверхности концентратора-2.

Контрольный элемент-14 размещен с тыльной стороны концентратора-2 напротив его центральной области, где предусмотрено окно-17 для прохода светового излучения от Солнца.

Для получения плотности УФ-излучения однородного характера, подаваемого на вход кюветы-3, перед последней предусмотрен оптический элемент-18 кольцеобразной конфигурации в форме отрицательной линзы в поперечном сечении, формирующий параллельный поток УФ-излучения кольцеобразного сечения.

Реализация предлагаемого способа согласно приведенной схеме осуществляется следующим образом.

После наведения концентратора-2 на Солнце с помощью системы слежения-19 (управляемой сигналом рассогласования, поступающим с контрольного элемента-14, в зависимости от величины смещения центральной области входного светового пучка (лучи ab на фиг.2) относительно центра фоточувствительной площадки указанного элемента-14), компонента солнечного излучения УФ-диапазона волн (лучи ВС) направляется в фокальную область концентратора-2, где, пройдя оптический элемент-18, преобразуется в параллельный пучок кольцевого сечения для подачи на обеззараживаемую жидкость-4.

Как показано на фиг.2, отражающая поверхность концентратора-2 образована вращением дуги параболы MM₁ относительно прямой O₁O₁, параллельной оси параболы ОО, что позволяет преобразовать «точечный фокус» параболы в фокальную область, имеющую замкнутую кольцевую форму, в районе которой расположена полая кювета-3.

Обеззараживаемая жидкость-4, например, из артезианской скважины (в графических материалах условно не показана) посредством гидронасоса-10 через фильтрующее устройство-12 и одну из полых стоек-7 подается в полость кюветы-3 и после прохода по последней расстояния L=πD (где D - средний диаметр замкнутой кольцевой области фокусируемой компоненты УФ-диапазона волн солнечного излучения, равный среднему диаметру кюветы-3) через вторую полую стойку-7 и расходомер-13 поступает в емкость для сбора обеззараженной жидкости-4 (в графических материалах условно не показано).

Определим оптимальную скорость движения жидкости-4 по кювете-3 исходя из нижеследующих предпосылок.

Доза облучения - E_i, получаемая жидкостью, движущейся с постоянной скоростью - V в ламинарном потоке по кольцевому контуру с диаметром - D и находящейся под воздействием светового потока - I_i, можно определить по формуле:

отсюда:

В рассматриваемом случае исходя из минимально допустимой дозы Е УФ-излучения для обеззараживания жидкости (согласно санитарно-гигиеническим нормам) скорость V ее движения вдоль области кольцевой формы (вдоль кюветы) должна соответствовать условию:

Исходя из того, что плотность УФ-излучения можно определить по формуле:

где I - плотность УФ-излучения в принимаемом световом потоке солнечной энергии;

k - коэффициент концентрации УФ-излучения принимаемого светового потока (определяется по отношению эффективной площади отражающей поверхности концентратора к эффективной площади УФ-излучения в области его концентрации).

В конечном виде, подставляя (4) в (3), получаем:

В полученной формуле коэффициент концентрации k концентратора-2, средний диаметр D полой кюветы-3, требуемая доза облучения Е для конкретного комплекса постоянны. Плотность входного УФ-излучения-1 зависит от метеоусловий и является переменной величиной, ее определяют по сумме амплитуд сигналов, снимаемых со всех площадок контрольного элемента-14.

Если интенсивность солнечной инсоляции УФ-диапазона высокая, можно сократить требуемое время воздействия ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, находящиеся в жидкости, за счет чего увеличить скорость прокачки жидкости V через полую кювету-3. Для этого управляющий сигнал, снимаемый с выхода контрольного элемента-14, амплитуда которого пропорциональна интенсивности УФ-излучения, подается на блок управления-11, который задает требуемую скорость прокачки жидкости по формуле (5), путем подачи соответствующего управляющего сигнала на гидронасос-10.

Установленный на выходе циркуляционного контура-9 расходомер-13 позволяет измерить реальную скорость прокачки жидкости и передает ее значение на второй вход блока управления-11 гидронасоса-10. Если значение измеренной скорости (второй вход) и вычисленное по формуле (5) значение скорости прокачки жидкости совпадают, то блок управления-11 сигнал на изменение режима работы гидронасоса-10 не выдает.

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными, а именно:

В предлагаемом способе обеззараживания жидкости концентрацию выделенной компоненты излучения УФ-диапазона осуществляют путем ее фокусировки в замкнутой области кольцевой формы и осуществляют подачу сформированного потока обеззараживаемой жидкости вдоль указанной области. Это осуществляется с помощью концентратора, отражающая поверхность которого является единым непрерывным профилем, в котором не требуется взаимной союстировки отдельных отражателей, что существенно облегчает процесс наведения гелиоэнергетического комплекса на Солнце.

Кроме того, скорость прокачки жидкости в предлагаемом способе обеззараживания жидкости увеличивается при увеличении интенсивности инсоляции, что приводит к общему увеличению объема обработанной жидкости в единицу времени. В известном способе обеззараживания воды скорость прокачки была постоянной, поэтому она выбиралась такой, чтобы обеспечить требуемую дозу ультрафиолетового облучения объема воды при минимально возможном уровне инсоляции.

За счет постоянства дозы облучения обрабатываемого объема жидкости (независимо от интенсивности УФ-излучения Солнца) и дополнительного воздействия на него вторичного (переотраженного от зеркального покрытия кюветы) УФ-излучения обеспечивается качественное и надежное обеззараживание жидкости.

Следовательно, предлагаемое техническое решение при его использовании дает положительный технический результат, заключающийся в упрощении процесса наведения на Солнце, также в повышении производительности (увеличении объема обработанной жидкости в единицу времени) и качества обеззараживаемой жидкости.

В настоящее время по материалам заявки на предприятии изготовлен макетный образец гелиоэнергетического комплекса для обеззараживания жидкости и проведены его натурные испытания, которые подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.

1. Способ обеззараживания жидкости, основанный на приеме светового потока солнечной энергии, выделении из принятого потока компоненты излучения УФ-диапазона волн, концентрации выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн для ее воздействия на сформированный поток обеззараживаемой жидкости при подаче последнего вдоль области концентрации компоненты излучения УФ-диапазона волн, отличающийся тем, что концентрацию выделенной компоненты излучения УФ-диапазона волн осуществляют путем ее фокусировки в замкнутой области кольцевой формы, определяют плотность УФ-излучения в принимаемом световом потоке солнечной энергии и осуществляют подачу сформированного потока жидкости вдоль области кольцевой формы со скоростью V, исходя из условия:

V≤k·I·πD/E,

где k - коэффициент концентрации УФ- излучения принимаемого светового потока;

I - плотность УФ-излучения в принимаемом световом потоке солнечной энергии;

D - средний диаметр замкнутой кольцевой области фокусируемой компоненты УФ-диапазона волн;

Е - минимально допустимая доза УФ-облучения для обеззараживания жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед воздействием на поток обеззараживаемой жидкости фокусируемой компонентой излучения УФ-диапазона волн преобразуют последнюю в параллельный пучок кольцевого сечения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поток обеззараживаемой жидкости формируют с поперечным сечением прямоугольной формы.

4. Гелиоэнергетический комплекс для обеззараживания жидкости, содержащий концентратор солнечной энергии УФ-диапазона волн, расположенный на несущей конструкции, гидросистему в виде циркуляционного контура обеззараживаемой жидкости, включающего последовательно соединенные гидронасос, подключенный к блоку управления, полую кювету трубчатого сечения для прохода обеззараживаемой жидкости, выполненную из оптически прозрачного материала, смонтированную в фокальной области концентратора, и контрольный элемент, подключенный к системе слежения за Солнцем, отличающийся тем, что отражающая поверхность концентратора солнечной энергии УФ-диапазона волн образована телом вращения ω-образной формы в осевом сечении, а полая кювета выполнена кольцеобразной замкнутой формы и с прямоугольным поперечным сечением.

5. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что отражающая поверхность концентратора образована вращением дуги окружности относительно прямой, параллельной оси симметрии дуги окружности.

6. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что отражающаяся поверхность концентратора образована вращением дуги параболы со стороны ее вершины относительно прямой, параллельной оси параболы.

7. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что полая кювета смонтирована на стойках, жестко связанных с несущей конструкцией, при этом две из стоек выполнены полыми, а полая кювета подключена к циркуляционному контуру через полости вышеупомянутых двух стоек.

8. Комплекс по п.7, отличающийся тем, что в полой кювете предусмотрена герметичная перегородка, при этом одноименные концы полых стоек подключены к полости кюветы по разные стороны ее герметичной перегородки.

9. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что контрольный элемент выполнен в виде устройства преобразования световой энергии в фототек, подключенного к блоку управления, смонтирован в светонепроницаемом стакане с фильтром УФ-излучения на его входе и размещен с тыльной стороны концентратора напротив окна, предусмотренного в центральной области концентратора.

10. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расходомер, установленный на выходе циркуляционного контура обеззараживаемой жидкости и подключенный к блоку управления.

11. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что на дальнюю от концентратора поверхность кюветы нанесено светоотражающее покрытие.

12. Комплекс по п.9, отличающийся тем, что спектральная полоса пропускания фильтра УФ-излучения контрольного элемента идентична спектральной полосе УФ-излучения, отражаемого от рабочей поверхности концентратора.

13. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оптический элемент кольцеобразной формы в форме отрицательной линзы в поперечном сечении, установленный перед полой кюветой на входе УФ-излучения.