Способ и устройство для обеззараживания и нагрева жидкостей
Владельцы патента RU 2694034:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН) (RU)
Группа изобретений относится к технологии обработки жидкостей СВЧ-энергией и может быть использована в пищевой, медицинской, микробиологической, фармацевтической промышленности. Способ обеззараживания и нагрева включает воздействие СВЧ-энергией на поток обрабатываемой жидкости, который подают в установленную в оконечном коаксиальном поглощающем устройстве трубку 5, имеющую конусообразную расширяющуюся форму, диаметр d которой на входе в оконечное коаксиальное поглощающее устройство равен 0,06-0,15 длины используемой СВЧ-волны и диаметр D на выходе из оконечного коаксиального поглощающего устройства 0,18-0,47 длины этой СВЧ-волны. Поток обрабатываемой жидкости дополнительно турбулизируют. Воздействие ионами серебра осуществляют путем помещения в турбулизируемый поток обрабатываемой жидкости серебряной проволоки 6. Устройство для обеззараживания и нагрева жидкостей включает один или два СВЧ-генератора, прямоугольный волновод 2 с фланцем 1, оконечное коаксиальное поглощающее устройство, трубку 5 из радиопрозрачного материала конусообразной расширяющейся формы, турбулизатор потока из радиопрозрачного материала, расположенный внутри трубки 5 и выполненный в виде стержня 8, жестко закрепленного по продольной оси трубки 5, на котором зафиксированы диски 7, имеющие диаметр, равный половине диаметра трубки в месте расположения диска. На внешних диаметрах дисков 7 турбулизатора размещена спираль 6 из одного или более витков серебряной проволоки. Группа изобретений позволяет исключить процесс приготовления и дозирования раствора ионного серебра, снизить температуру обеззараживания и энергозатраты, увеличить производительность. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 8 ил.
Заявляемое изобретение относится к технологии обработки жидкостей СВЧ-энергией и может быть использована в пищевой, медицинской, микробиологической, фармацевтической промышленности для обеззараживания и нагрева пищевых жидкостей, поглощающих СВЧ-энергию (вода, соки, виноматериалы и т.п.).
Изобретение также может быть использовано в медицинской, микробиологической и фармацевтической промышленности для обеззараживания водных и питательных сред, вакцин, сывороток и жидких лекарственных препаратов.
Изобретение может быть использовано в системах жизнеобеспечения различного назначения и, в частности, в системе регенерации воды для ее обеззараживания и нагрева.
Кроме того, предлагаемое изобретение может найти применение в химической и золотодобывающей промышленности для нагрева технологических жидкостей.
Известны способы и устройства для бактерицидного воздействия серебра на воду (Л.А. Кульский. Серебряная вода. Киев: Наукова думка. 1977. 164 с.) /1/.
Одним из них является способ бактерицидного воздействия металлического серебра на Escherichia coli в воде (Л.А. Кульский. Серебряная вода. Киев: Наукова думка. 1977. С. 14) /2/.
Для этого используют спираль из серебряной проволоки длиной 20 м и диаметром 0,4 мм. Ее помещают в сосуд с дистиллированной водой. Спустя 24, 48 и 72 часа испытывают бактерицидное действие этой воды на Escherichia coli. Время контакта с бактериями составляло 24 часа, после чего делали посев на питательные среды.
К недостатку этого способа относят длительное время воздействия на микроорганизмы в условиях покоя жидкости.
Известны, например, способы и устройства для обеззараживания и нагрева жидкостей с использованием энергии сверхвысокой частоты (В.В. Игнатов и др. Влияние электромагнитных полей сверхвысокочастотного диапазона на бактериальную клетку. Изд-во СГУ. 1978. 80 с) /3/.
С использованием этого принципа было предложено оконечное коаксиальное поглощающее устройство для обработки суспензий в потоке (В.В. Игнатов и др. Влияние электромагнитных полей сверхвысокочастотного диапазона на бактериальную клетку. Изд-во СГУ. 1978. С. 40) /4/. В этом устройстве волна от источника СВЧ-энергии распространяется по прямоугольному волноводу и волноводно-коаксиальному переходу к оконечному коаксиальному поглощающему устройству (зона В). Волноводно-коаксиальный переход при этом включает в себя согласующий элемент вместе с внутренним проводником коаксиала, а также трансформатор сопротивления (зона А). Продолжением внутреннего проводника коаксиала в зоне В служит кварцевая трубка, по которой пропускают объект обработки (жидкость). Внутренний диаметр такой трубки составляет, как правило, 10-14 мм при частоте СВЧ-генератора 2450±50 МГц.
Известный объект характеризуется пониженной производительностью и КПД поглощения СВЧ-энергии, повышенными энергозатратами, особенно при температурах выше 60-65°С, отсутствием турбулизации жидкости. Кроме этого, устройство не допускает появление в жидкости пузырьков пара и воздуха.
Это устройство используют в циркуляционно-проточной технологической схеме. Положительный результат (100%) достигают при температуре 65°С для вегетативных форм микроорганизмов в жидкости, находящейся в потоке.
Известен вариант комбинированного устройства на базе двух таких устройств, когда они соединены последовательно. Оба устройства питаются от двух автономных источников СВЧ-энергии. В этом случае увеличение производительности достигают увеличением вдвое скорости потока жидкости. Применяется также вариант на базе двух последовательно соединенных устройств с питанием от одного источника СВЧ-энергии (В.В. Игнатов и др. Влияние электромагнитных полей сверхвысокочастотного диапазона на бактериальную клетку. Изд-во СГУ. 1978. С. 66-67) /5/; (Ю.С. Архангельский. СВЧ электротермия. Саратов. Сарат. гос. техн. ун-т. 1998. С. 280) /6/.
К основному недостатку этих вариантов относят значительные габариты устройства, образованного комбинацией двух устройств. Кроме того, СВЧ-энергию для нагрева подводят к различным участкам единой трубки для прохода жидкости. Эти участки с жидкостью при этом имеют различную температуру, а значит и диэлектрическую проницаемость. Это обстоятельство имеет особое значение при питании комбинированного устройства от одного источника СВЧ-энергии.
Важно отметить, что жидкость по трубке из одного устройства подают в другое уже нагретой до определенной температуры, а в другом подогревают до конечной температуры. В этом случае теряют значение такого важного фактора, как темп нагрева, за счет увеличения вдвое зоны СВЧ-воздействия на микроорганизмы в обрабатываемой жидкости. Это оказывает влияние на конечную температуру обеззараживания и нагрева, а также на сохранение питательных свойств жидкостей.
Наиболее близким по технической сущности является способ обеззараживания и нагрева жидкостей и устройство для его осуществления (Климарев С.И., Григорьев А.И., Синяк Ю.Е. патент RU 2627899, 14.08.2017 г). Способ обеззараживания и нагрева воды включает воздействие СВЧ-энергией на поток обрабатываемой воды заданного размера, проходящий через прямоугольный волновод под углом к его широкой стенке. В поток добавляют водный раствор ионного серебра из расчета его концентрации в обрабатываемой воде 0,01-0,02 мг/л. Воду пропускают через устройство, включающее СВЧ-генератор, прямоугольный волновод с фланцами, проходящую через него трубку из радиопрозрачного материала, ось которой расположена под углом к широкой стенке волновода, и концевую согласованную поглощающую нагрузку. Трубка, через которую пропускают поток, имеет расширяющуюся форму, при этом ширина W имеет максимальное значение 0,66 размера широкой стенки волновода, высота h на входе в волновод составляет 0,06-0,15 длины волны, а высота Н на выходе из волновода 0,18-0,47 длины волны и установлена широкой стороной к направлению распространения электромагнитной волны.
К недостаткам этого способа и устройства можно отнести трудоемкость процесса по приготовлению и дозированию раствора ионного серебра и поддержание его концентрации в воде в установленных пределах, а так же отсутствие турбулизации (перемешивания) потока воды, что является необходимым для поддержания требуемой концентрации ионов серебра.
Эти способы и устройства были выбраны в качестве прототипов предлагаемого технического решения как в части способ, так и в части устройство.
Техническим результатом заявляемого изобретения в части способ является исключение процесса приготовления и дозирования раствора ионного серебра, снижение температуры обеззараживания и энергозатрат, увеличение производительности.
Заявляемое устройство обеспечивает получение такого же технического результата, что и заявляемый способ.
Этот технический результат в части способ достигается тем, что в известном способе обеззараживания и нагрева жидкостей путем воздействия СВЧ-энергией на поток обрабатываемой жидкости заданного размера, проходящий через прямоугольный волновод под углом к его широкой стенке, при этом на поток обрабатываемой жидкости воздействуют ионами серебра из расчета его концентрации в обрабатываемой воде 0,01-0,02 мг/л, поток жидкости подают в установленную в оконечном коаксиальном поглощающем устройстве трубку, имеющую конусообразную расширяющуюся форму, диаметр d которой на входе в оконечное коаксиальное поглощающее устройство равен 0,06-0,15 длины используемой СВЧ-волны, и диаметр D на выходе из оконечного коаксиального поглощающего устройства 0,18-0,47 длины этой СВЧ-волны, поток обрабатываемой жидкости дополнительно турбулизируют, а воздействие ионами серебра осуществляют путем помещения в турбулизируемый поток обрабатываемой жидкости серебряной проволоки.
Этот технический результат в части устройство достигается тем, что в устройство для обеззараживания и нагрева жидкостей, включающее 1 или 2 СВЧ-генератора, прямоугольный волновод с фланцем, оконечное коаксиальное поглощающее устройство, трубку из радиопрозрачного материала, согласно изобретению, вводят трубку конусообразной расширяющейся формы, при этом трубка имеет диаметр d на входе в оконечное коаксиальное поглощающее устройство 0,06-0,15 длины волны, и диаметр D на выходе из оконечного коаксиального поглощающего устройства 18-0,47 длины волны, внутри трубки расположен турбулизатор потока из радиопрозрачного материала, выполненный в виде стержня, жестко закрепленного по продольной оси трубки, на котором зафиксированы диски,
имеющие диаметр, равный половине диаметра трубки в месте расположения диска, а на внешних диаметрах дисков турбулизатора размещена спираль из одного или более витков серебряной проволоки.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1. Принципиальная схема устройства для реализации способа, где цифрами обозначены следующие элементы: 1 - присоединительный фланец, 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 4 - запредельное устройство, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 6 - спираль из серебряной проволоки, 7 - диск турбулизатора, 8 - стержень турбулизатора, 9 - трансформатор сопротивления, 10 - центральный проводник коаксиала, 11 - заглушка, 12 - согласующий элемент.
Фиг. 2. Схема устройства с питанием от двух автономных источников СВЧ-энергии, где: 1 - присоединительный фланец, 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 4 - запредельное устройство, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 6 - спираль из серебряной проволоки, 7 - диск турбулизатора, 8 - стержень турбулизатора, 9 - трансформатор сопротивления, 10 - центральный проводник коаксиала, 12 - согласующий элемент.
Фиг. 3. Схема устройства (разрез) с питанием от одного источника СВЧ-энергии, закрепляемого непосредственно на широкой стенке волновода, где: 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 4 - запредельное устройство, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 6 - спираль из серебряной проволоки, 7 - диск турбулизатора, 8 - стержень турбулизатора, 9 - трансформатор сопротивления, 10 - центральный проводник коаксиала, 12 - согласующий элемент.
Фиг. 4. Схема устройства (вид сверху) с питанием от одного источника СВЧ-энергии, закрепляемого непосредственно на широкой стенке волновода, где: 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 7 - диск турбулизатора.
Фиг. 5. Схема этого же устройства (разрез) с питанием от одного источника СВЧ-энергии, подключаемого через присоединительный фланец, где: 1 - присоединительный фланец, 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 4 - запредельное устройство, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 9 - трансформатор сопротивления.
Фиг. 6. Схема этого же устройства (вид сверху) с питанием от одного источника СВЧ-энергии, подключаемого через присоединительный фланец, где: 1 - присоединительный фланец, 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 7 - диск турбулизатора.
Фиг. 7. Схема расположения элементов внутри трубки конусообразной расширяющейся формы, где: 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 6 - спираль (2 шт) из серебряной проволоки, 7 - диск турбулизатора, 8 - стержень турбулизатора.
Фиг. 8. Циркуляционно-проточная технологическая схема. Схема включает: 1 - присоединительный фланец, 2 - прямоугольный волновод, 3 - внешний проводник коаксиала, 4 - запредельное устройство, 5 - трубка конусообразной расширяющейся формы, 9 - трансформатор сопротивления, 10 - центральный проводник коаксиала, 11 - заглушка, 12 - согласующий элемент, 13 - регулятор расхода жидкости, 14 - трехпозиционный клапан, 15 - трубопровод, 16 - насос, 17 - емкость с обрабатываемой жидкостью, 18 - СВЧ-генератор (магнетрон), датчики температуры t1 и t2 на входе и выходе из СВЧ-устройства.
Циркуляционно-проточная технологическая схема содержит подключенный к емкости 17 с обрабатываемой жидкостью трубопровод 15, к которому по ходу движения жидкости подключен насос 16, датчик температуры t1, трубка 5 конусообразной расширяющейся формы, расположенной в СВЧ-устройстве (фиг. 1). Трубопровод по отношению к трубке 5 СВЧ-устройства разделен на входную и выходную линии (входная
линия расположена перед входом в трубку 5, выходная - после нее). В трубопровод со стороны выходной линии встроены датчик температуры t2, регулятор расхода жидкости 13 и трехпозиционный клапан 14. Входная и выходная линии соединены и образуют замкнутый контур (контур рецикла).
Устройство используется следующим образом: зараженную жидкость из емкости 17 насосом 16 подают на вход трубки 5 конусообразной расширяющейся формы для нагрева; в период установления заданной температуры жидкость из трубки 5 через регулятор расхода 13 и трехпозиционный клапан 14 возвращают в емкость 17 с обрабатываемой жидкостью; после установления заданной температуры жидкости трехпозиционный клапан 14 переключают и обработанную жидкость используют по назначению, а также отбирают пробы на микробиологический анализ. Контроль температуры жидкости до и после СВЧ-нагрева осуществляют с помощью датчиков температуры t1 и t2.
Изобретение поясняется следующими таблицами.
В Табл. 1, представлены технологические параметры обеззараживания и нагрева воды по прототипу и предлагаемому техническому решению.
Знак «-» означает отсутствие микробов в жидкости;
Знак «±» означает наличие микробов в жидкости в концентрации до 100 КОЕ/мл;
Знак «+» означает наличие микробов в жидкости в концентрации выше 100 КОЕ/мл.
КОЕ - колониеобразующая единица.
КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения.
В Табл. 2, представлены примеры использования способа и устройства.
В качестве тест-микробов применяют набор Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosae в концентрации 106 КОЕ/мл. Регистрацию основных технологических параметров (расход и температуру жидкости), а также
отбор проб на биоконтроль осуществляют при дискретных значениях температуры, а именно: 95, 85, 75, 65, 60, 55, 50 и 45°С. Обрабатываемая жидкость - дехлорированная водопроводная питьевая вода с исходной температурой 20±0,5°С.
Для реализации работы устройства используется магнетрон, генерирующий частоту 2450±50 МГц, мощностью 700 Вт. Основной тип волны Н10 с переходом в ТЕМ волну; трубка конусообразной расширяющейся формы имеет диаметр на входе d - 10 мм и диаметр на выходе D - 32 мм и выполнена из фторопласта.
В таблице 1 приведены технологические параметры обеззараживания и нагрева воды по источн. 4 и предлагаемому техническому решению.
Диапазон диаметров трубки конусообразной расширяющейся формы определяется экспериментальным путем.
Диаметр трубки на входе d устанавливают в пределах 0,06-0,15 длины волны или 7-18 мм, что обеспечивает оптимальный нагрев жидкостей с исходной температурой, соответствующей окружающей среде от ~ 0°С до 35°С.
Снижение диаметра трубки на входе ниже 0,06 длины волны увеличивает КСВН, что влечет за собой снижение КПД поглощения СВЧ-энергии. Увеличение диаметра трубки на входе выше 0,15 длины волны не повышает КПД поглощения СВЧ-энергии и производительность и не снижает температуру обеззараживания.
Диаметр трубки на выходе D устанавливают 0,18-0,47 длины волны или 22-58 мм, что обеспечивает температуру нагрева и обеззараживания жидкостей в интервале ~ 45°С-95°С и до кипения.
Снижение диаметра трубки на выходе ниже 0,18 длины волны приводит к увеличению КСВН и снижению КПД поглощения СВЧ-энергии и производительности. Увеличение диаметра трубки на выходе выше 0,47
длины волны не снижает температуру обеззараживания и энергозатраты и не увеличивает производительность.
В предлагаемом устройстве используется трубка, диаметром на входе d - 10 мм, соответствующем начальной температуре жидкости ~ 18-20°С, и диаметром на выходе D - 32 мм, соответствующем конечной температуре обеззараживания и нагрева ~ 65°С.
Трубку используют сменной и выбирают под конкретный технологический режим обеззараживания и нагрева жидкостей, что обеспечивает высокую технологичность при использовании предлагаемого устройства в конкретной технологической схеме.
Это устройство имеет варианты, при которых оно питается от двух или одного автономных источников СВЧ-энергии.
На фиг. 2 показано предлагаемое устройство с питанием от двух автономных источников СВЧ-энергии, близких по частоте (в пределах ±50 МГц).
На фиг. 3, 4, 5 и 6 представлен разрез и вид сверху вариантов устройства с питанием от одного источника СВЧ-энергии: фиг. 3 и 4. СВЧ-генератор (магнетрон) непосредственно закрепляют на широкой стенке прямоугольного волновода, выполненного в виде кольца; фиг. 5 и 6 - СВЧ-энергию подводят от СВЧ-генератора к устройству посредством фланцевого соединения.
В этих вариантах устройства (фиг. 3, 4, 5 и 6) СВЧ-энергию подводят к нему с противоположных сторон. Для этого используют принцип суперпозиции, по которому две равные по амплитуде когерентные волны направляют в оконечное коаксиальное поглощающее устройство таким образом, чтобы на оси трубки они были синфазны, при этом значение напряженности электромагнитного поля на оси трубки конусообразной расширяющейся формы удваивается.
Этот метод известен и его используют, например, в плазмохимии (В.М. Батенин, И.И. Климовский, Г.В. Лысов, В.Н. Троицкий. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. М: Энергоатомиздат.1988. С. 109; С. 166) в плазмотронах.
Однако для целей обеззараживания и нагрева жидкостей его применяют впервые.
Во время обеззараживания и нагрева жидкостей применяют их турбулизацию (перемешивание). Для этого в предлагаемом устройстве на оси трубки 5 (см. фиг. 7) устанавливается стержень турбулизатора 8 из радиопрозрачного материала с дисками 7, имеющими диаметр, равный половине диаметра трубки в месте расположения диска.
Использование перемешивания жидкости при ее нагреве в технике известно. Однако наличие турбулизатора не ухудшает работу устройства, а обеспечивает более равномерный прогрев жидкости с микроорганизмами при ее прохождении по трубке конусообразной расширяющейся формы во время СВЧ-нагрева.
На внешнем диаметре дисков турбулизатора 7 (см. фиг. 7) размещается проволока 6 из серебра, выполняющая полный оборот вокруг оси трубки 5 (спираль), при этом спираль размещается одна или более, но не создающая отражение СВЧ-энергии выше допустимого значения. Это еще одна положительная функция турбулизатора - жестко фиксировать спираль в строго отведенном для нее месте во внутреннем пространстве трубки 5, находящейся в зоне СВЧ-воздействия.
Для реализации этих задач выбирается устройство, изображенное на фиг. 1, с турбулизатором и размещенной на нем спиралью 6 из серебряной проволоки. Устройство используется в циркуляционно-проточной технологической схеме, представленной на фиг.8. Серебряная проволока имеет диаметр 0,45 мм, длину 65-70 мм, свитая в одну спираль; турбулизатор
выполнен из фторопласта, стержень 8 его имеет диаметр 5-6 мм, толщина дисков - 2 мм.
Результаты опытов показывают, что температура обеззараживания в предлагаемом способе и устройстве в присутствии одной спирали из серебра составляет 55°С, что на 10°С ниже, чем в аналогичных устройствах, например в источнике /4/. При этой температуре КПД поглощения СВЧ-энергии составляет 94% по сравнению с 88% в ист. 4. Производительность увеличилась с 0,195 л/мин до 0,268 л/мин; энергозатраты снизились с 52 до 40 Вт ч/л; КСВН снизился с 2,1 до 1,7 единицы.
Анализ приведенных примеров (см. табл. 1) показывает, что применение способа и устройства для обеззараживания и нагрева жидкостей с трубкой конусообразной расширяющейся формой, турбулизатором и одной спирали из серебряной проволоки обеспечивает:
- снижение температуры обеззараживания и нагрева жидкости на 10°C с 65°С до 55°С;
- увеличение КПД поглощения СВЧ-энергии на 6%;
- увеличение производительности на 37,4%;
- снижение энергозатрат на 23,1%.
1. Способ обеззараживания и нагрева жидкостей путем воздействия СВЧ-энергией на поток обрабатываемой жидкости, проходящий через прямоугольный волновод под углом к его широкой стенке, при этом на поток обрабатываемой жидкости воздействуют ионами серебра из расчета его концентрации в обрабатываемой жидкости 0,01-0,02 мг/л, поток жидкости имеет расширяющуюся форму от входа в волновод до выхода из него, отличающийся тем, что поток жидкости подают в установленную в оконечном коаксиальном поглощающем устройстве трубку, имеющую конусообразную расширяющуюся форму, диаметр d которой на входе в оконечное коаксиальное поглощающее устройство равен 0,06-0,15 длины используемой СВЧ-волны и диаметр D на выходе из оконечного коаксиального поглощающего устройства 0,18-0,47 длины этой СВЧ-волны, поток обрабатываемой жидкости дополнительно турбулизируют, а воздействие ионами серебра осуществляют путем помещения в турбулизируемый поток обрабатываемой жидкости серебряной проволоки.
2. Устройство для обеззараживания и нагрева жидкостей, включающее 1 или 2 СВЧ-генератора, прямоугольный волновод с фланцем, оконечное коаксиальное поглощающее устройство, трубку из радиопрозрачного материала, отличающееся тем, что в оконечном коаксиальном поглощающем устройстве установлена трубка, имеющая конусообразную расширяющуюся форму, диаметр d которой на входе в оконечное коаксиальное поглощающее устройство равен 0,06-0,15 длины используемой СВЧ-волны и диаметр D на выходе из оконечного коаксиального поглощающего устройства равен 0,18-0,47 длины этой СВЧ-волны, внутри трубки расположен турбулизатор потока из радиопрозрачного материала, выполненный в виде стержня, жестко закрепленного по продольной оси трубки, на котором зафиксированы диски, имеющие диаметр, равный половине диаметра трубки в месте расположения диска, а на внешних диаметрах дисков турбулизатора размещена спираль из одного или более витков серебряной проволоки.
