Результат интеллектуальной деятельности: Способ обеззараживания и нагрева жидкостей и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии обеззараживания и нагрева воды СВЧ-энергией и может быть использовано в пищевой, медицинской, микробиологической, фармацевтической, а также в химической промышленности.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в пищевой промышленности для обеззараживания и нагрева воды, используемой, например, при приготовлении соков и других пищевых жидкостей.

Изобретение может быть также использовано в медицинской, микробиологической и фармацевтической промышленности для обеззараживания воды, используемой при приготовлении питательных сред, вакцин, сывороток и жидких лекарственных препаратов.

Кроме того, изобретение может найти применение в химической и золотодобывающей промышленности для нагрева воды в технологических процессах.

В настоящее время проблема производства экологически чистых продуктов питания, включая питьевую воду, без добавления консервантов и химических веществ занимает одно из ведущих мест в мире.

Актуальность обеззараживания и нагрева воды, потребляемой человеком в повседневной жизни, определяется как увеличением количества неблагоприятных территорий и факторов, так и использованием различных консервантов наряду с традиционными методами обеззараживания воды.

Особую значимость обеззараживание и нагрев приобретает при обработке воды, предназначенной для длительного хранения.

В настоящее время известен способ воздействия тяжелых металлов и, в частности, серебра на микроорганизмы с целью их уничтожения (Л.А. Кульский. Серебряная вода. Киев: Наукова думка. 1977, 164 с.).

Скорость отмирания, например, Escherichea coli с исходной концентрацией 10⁴ КОЕ/мл при дозе ионного серебра 1,0 мг/л составляет 3 мин; при дозе 0,5 мг/л - 20 мин; при дозе 0,2 мг/л - 50 мин, а для дозы 0,05 мг/л требуется около 2 час контакта для полного бактерицидного эффекта (Л.А. Кульский. Серебряная вода. Киев: Наукова думка. 1977. С. 20-34).

К неудобствам этого способа и его использования относят значительные дозы ионного серебра для снижения времени воздействия на микроорганизмы, находящиеся в покоящейся воде.

Известны также способы и устройства для обеззараживания и нагрева воды с использованием энергии сверхвысокой частоты (В.В. Игнатов и др. Влияние электромагнитных полей сверхвысокочастотного диапазона на бактериальную клетку. Изд-во СГУ. 1978, 80 с.).

Известен метод и устройство, в котором осуществляют воздействие СВЧ-поля на бактериальную суспензию в пробирке, помещенной в волновод прямоугольного сечения (В.В. Игнатов и др. Влияние электромагнитных полей сверхвысокочастотного диапазона на бактериальную клетку. Изд-во СГУ. 1978, с. 34-35). Этот тип устройства относят к проходному, волноводному, подсоединенному с одной стороны к СВЧ-генератору, а с другой - к концевой согласованной поглощающей нагрузке. Пробирку в устройстве размещают под углом 45° к широкой стенке волновода.

В предложенном варианте исполнения устройство не применяют для обеззараживания и нагрева воды в потоке.

Известен, например, микроволновый аппарат для выпаривания жидких смесей, который включает волновод и микроволновый генератор. В этом аппарате нагреваемую жидкость подают по прозрачной для микроволн трубке, ось которой расположена под углом к широкой стенке волновода, таким образом, что выходящую нагретую жидкость затем подают в камеру, где жидкость распыляют и выпаривают. Образовавшийся пар отделяют и конденсируют, а невыпарившуюся жидкость перемешивают с основным потоком и подают на рецикл (Roger М. Amadon. MICROWAVE APPARATUS FOR EVAPORATING LIQUID MIXTURES. U.S. Patent 3,495,648. Feb. 17.1970. U.S.C1. 159-3).

Наличие оконечной водяной нагрузки в этом устройстве подтверждает тот факт, что не вся микроволновая энергия поглощается нагреваемой жидкостью, а значит исключается из процесса нагрева.

В этом микроволновом аппарате предложены также еще два варианта расположения прозрачных для микроволн трубок в волноводе, по которым подают в камеру жидкость.

Первый вариант представляет собой ряд расположенных под углом к широкой стенке волновода трубок, соединенных последовательно. Во втором варианте трубки соединены параллельно и имеют общий вход и выход жидкости.

Недостатком обоих вариантов микроволнового устройства для нагрева и выпаривания жидких смесей является сложность и громоздкость всей конструкции, которая с оконечной водяной нагрузкой представляет значительные размеры и массу.

Сложность конструкции также выражается в дополнительном экранировании трубок, выходящих за пределы волновода, от проникновения излучения в окружающее пространство.

Это устройство для нагрева микроволновой энергией используют в циркуляционной технологической схеме аппарата для выпаривания и концентрирования фруктовых соков и других термочувствительных жидкостей посредством электромагнитной волновой энергии. Устройство используют для непрерывного нагрева в потоке порции жидкости, находящейся в выпаривателе, и воздействуют на нее до полного выпаривания. Результатом многократного рецикла при повышенной температуре выпаривания возможна значительная потеря витаминов и питательных свойств жидкостей.

Известна система для очистки жидкостей, в которой используют устройство для нагрева и обеззараживания очищаемой жидкости микроволновой энергией (Н. Colman Rosenberg. SYSTEM FOR PURIFYING LIQUIDS. U.S. Patent 4,013,558. Mar. 22. 1977. U.S. C1. 210-149). Это устройство представляет собой расширяющийся волновод (рупор), в конце которого помещают гофрированную трубку, уложенную виток к витку. Такая трубка заполняет открытый конец волновода и практически полностью перекрывает его поперечное сечение. Расход жидкости поддерживают постоянным, а температуру жидкости контролируют датчиками температуры на входе и выходе трубки. Основным недостатком устройства для микроволнового нагрева является неполный обеззараживающий эффект и возможность выпадения осадка и его накопления в гофрах, так же как и микроорганизмов. Это влечет за собой дополнительную операцию по периодической очистке трубки.

Кроме того, использование волновода с открытым концом (рупором) требует защиты всего устройства в целом от излучения микроволновой энергии в окружающее пространство. Это увеличивает габариты устройства и его вес.

Устройство используют в проточной технологической схеме для совершенствования метода обработки жидкостей при дезинфекции и осветлении, которое состоит в перемешивании и поддержании консистенции потока на должном уровне до и во время обработки микроволновой энергией. Результат (99,9%) стерилизации достигают при 65°С для вегетативных форм микроорганизмов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для обеззараживания и нагрева водных сред, включающее СВЧ-генератор, прямоугольный волновод с фланцами, трубку из радиопрозрачного материала, расположенную под углом 30-45° к широкой стенке волновода, концевую согласованную поглощающую нагрузку квазирезонаторного типа, при этом трубка в сечении имеет плоскую форму и установлена широкой стороной к направлению распространения электромагнитной волны, имеет высоту, равную 0,12-0,14 длины волны, а ширину, равную 0,26-0,45 размера широкой стенки волновода (Л.Л. Заблоцкий, С.И. Климарев, А.Г. Лобанов. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И НАГРЕВА ВОДНЫХ СРЕД. Авторское свидетельство СССР №1139439. 15.02.1985 г. МКИ A61L 2/12). Эта трубка плоской формы имеет постоянные размеры в указанных граничных значениях.

Несовершенство известного устройства заключается в недостаточно высоком КПД поглощения СВЧ-энергии в этой трубке, уменьшающийся с увеличением температуры обрабатываемой воды, что приводит к увеличению затрат энергии и снижению производительности. Такое устройство используют в циркуляционно-проточной технологической схеме для обеззараживания и нагрева водных сред в потоке. Результат (100%) воздействия на набор вегетативных форм микроорганизмов достигают при температуре 70°С.

Недостатками этого устройства и его использования являются повышенная температура обеззараживания воды, пониженный КПД поглощения СВЧ-энергии и производительность, излишние затраты энергии.

Технический результат заключается в ускорении процесса, снижении энергозатрат, температуры СВЧ-обеззараживания и нагрева воды, а также дозы ионного серебра, увеличении КПД поглощения СВЧ-энергии.

Поставленная задача в части способ решается путем воздействия СВЧ-энергией на поток обрабатываемой воды заданного размера, проходящий через прямоугольный волновод под углом к его широкой стенке, а в поток обрабатываемой воды добавляют водный раствор ионного серебра из расчета его концентрации в обрабатываемой воде 0,01-0,02 мг/л, поток воды имеет расширяющуюся форму от входа в волновод до выхода из него, при этом ширина потока W имеет максимальное значение 0,66 размера широкой стенки волновода, а высота h на входе в волновод составляет 0,06-0,15 длины волны и высота его Н на выходе из волновода составляет 0,18-0,47 длины волны.

Поставленная задача в части устройство решается также тем, что в устройство для обеззараживания и нагрева воды, включающее СВЧ-генератор, прямоугольный волновод с фланцами, трубку из радиопрозрачного материала, ось которой расположена под углом к широкой стенке волновода, концевую согласованную поглощающую нагрузку, согласно изобретению устанавливают трубку, ширина W которой постоянна и имеет максимальное значение 0,66 размера широкой стенки волновода, трубка имеет расширяющуюся форму и высота ее h на входе в волновод составляет 0,06-0,15 длины волны, а высота Н на выходе из волновода составляет 0,18-0,47 длины волны и установлена широкой стороной к направлению распространения электромагнитной волны.

Краткое описание чертежей и таблиц

Фиг. 1. Устройство для реализации способа, где 1 - трубка расширяющейся формы; 2 - запредельное устройство; 3 - прямоугольный волновод; 4 - фланцы; штуцеры ввода и вывода воды условно не показаны.

Фиг. 2. Циркуляционно-проточная технологическая схема

Схема включает: 1 - трубку расширяющейся формы; 2 - запредельное устройство; 3 -прямоугольный волновод; 4 - фланцы; 5 - СВЧ-генератор; 6 - концевую согласованную поглощающую нагрузку; 7 - трехпозиционный кран (клапан); 8 - емкость с обрабатываемой водой; 9 - центробежный насос; 10 - кран регулируемый (регулятор расхода).

Фиг. 3. Графическое отображение параметров из Табл. 1.

1 и 2 - зависимости КПД и температуры от расхода воды по устройству прототипа.

1' и 2' - зависимости КПД и температуры от расхода воды по предлагаемому техническому решению.

Табл. 1. Технологические параметры обеззараживания и нагрева воды по прототипу и предлагаемому техническому решению.

Знак «-» означает отсутствие микробов в воде.

Знак «±» означает наличие микробов в воде в концентрации до 100 КОЕ/мл.

Знак «+» означает наличие микробов в воде в концентрации выше 100 КОЕ/мл.

КОЕ - колониеобразующая единица.

Технологическая схема (Фиг. 2) включает подключенный к емкости 8 с обрабатываемой водой трубопровод, к которому после центробежного насоса 9 подключен по ходу движения воды кран регулируемый 10, датчик температуры t₁, трубка 1 расширяющейся формы, датчик температуры t₂, трехпозиционный кран (клапан) 7. Трубопровод по отношению к трубке 1, расположенной в устройстве для обеззараживания и нагрева воды (Фиг. 1), разделен на входную и выходную линии (входная линия расположена перед входом в трубку 1 после крана регулируемого 10, выходная - после трубки расширяющейся формы 1). При этом выходная линия подключена к емкости 8 с обрабатываемой водой через кран регулируемый 10 с образованием замкнутого контура (контура рецикла).

Раствор ионного серебра вводят (Фиг. 2) в емкость 8 с зараженной обрабатываемой водой из расчета конечной дозы в воде 0,01-0,02 мг/л. После этого воду из емкости 8 насосом 9 через кран регулируемый 10 подают на вход трубки 1 расширяющейся формы для нагрева; в период установления заданной температуры воду из трубки 1 через трехпозиционный кран 7 возвращают в емкость 8 с обрабатываемой водой; по достижении заданной температуры воды трехпозиционный кран 7 переключают и обработанную воду используют по назначению, а также отбирают пробы на микробиологический анализ. Контроль температуры воды до и после СВЧ-нагрева осуществляют с помощью датчиков температуры t₁ и t₂.

В качестве тест-микробов применяют набор Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosae в концентрации 10⁶ КОЕ/мл. Регистрацию основных технологических параметров (расход и температуру воды), а также отбор проб на биоконтроль осуществляют при дискретных значениях температуры, а именно 95, 90, 80, 70, 65, 60, 55, 50, 45 и 40°С. Обрабатываемая вода - дехлорированная водопроводная питьевая вода с исходной температурой 20±0,5°С. Для иллюстрации работы устройства используется СВЧ-генератор, генерирующий частоту 2450±50 МГц, мощность 1,0 кВт; основной тип волны - Н₁₀; сечение волновода (a×b) - 90×45 мм; трубка расширяющейся формы имеет постоянную ширину W - 59,4 мм; высоту h на входе - 10 мм; высоту Н на выходе - 32 мм и выполнена из фторопласта.

Интервалы размеров трубки расширяющейся формы определяются экспериментальным путем.

Так, ширину трубки W ограничивают значением 0,66 размера широкой стенки волновода (а). Увеличение ширины трубки выше этого значения не приводит к увеличению поглощения СВЧ-мощности, т.к. ближе к углам внутри волновода СВЧ-энергия практически отсутствует.

Высоту трубки на входе h устанавливают 0,06-0,15 длины волны или 7-18 мм, что обеспечивает оптимальный нагрев воды с исходной температурой, соответствующей окружающей среде от ~ 0°С до 35°С.

Снижение высоты трубки h на входе ниже 0,06 длины волны приводит к прохождению части СВЧ-энергии в концевую согласованную поглощающую нагрузку, т.е. к потерям энергии и снижению КПД устройства. Увеличение высоты трубки h на входе выше 0,15 длины волны не повышает КПД устройства и производительность и не снижает в итоге температуру обеззараживания.

Высоту трубки Н на выходе устанавливают 0,18-0,47 длины волны или 22-58 мм, что обеспечивает температуру нагрева и обеззараживания воды в интервале ~ 45°С-95°С и вплоть до кипения.

Снижение высоты трубки Н на выходе ниже 0,18 длины волны приводит к снижению КПД устройства и производительности, а также к прохождению части СВЧ-энергии в концевую согласованную поглощающую нагрузку. Увеличение высоты трубки Н на выходе выше 0,47 длины волны не снижает температуру обеззараживания и энергозатраты и не увеличивает производительность.

Для примера (см. табл.) в предлагаемом устройстве используется трубка постоянной шириной W - 59,4 мм, высотой h на входе - 10 мм, соответствующей начальной температуре воды ~ 18°С-20°С, и высотой H на выходе - 32 мм, соответствующей конечной температуре обеззараживания и нагрева ~ 65°С.

Результаты опытов показывают, что температура обеззараживания в предлагаемом устройстве составляет 55°С, что на 10°С ниже, чем в устройстве прототипа. При этой температуре КПД поглощения СВЧ-энергии составляет 94% по сравнению с 87% в прототипе. Производительность увеличилась с 0,285 л/мин до 0,385 л/мин; энергозатраты снизились с 51 до 40 Вт⋅ч/л.

Кроме того, в предлагаемом устройстве трубку используют сменной и выбирают под конкретный температурный режим обеззараживания и нагрева воды, что обеспечивает высокую технологичность при использовании предлагаемого устройства в конкретном процессе (технологической схеме).

В установленном интервале температур нагрева (95°С-40°С) СВЧ-энергия не достигает концевой согласованной поглощающей нагрузки, т.е. ее полностью поглощает проходное устройство с трубкой расширяющейся формы. В данном конкретном случае концевой согласованной поглощающей нагрузке отводят роль своеобразного предохранителя, ассимилирующего СВЧ-энергию в том случае, когда в трубке расширяющейся формы по каким-либо причинам случайно отсутствует обрабатываемая вода. Это защищает СВЧ-генератор от выхода из строя.

Из-за неизбежной адсорбции ионного серебра поверхностью емкости и микроорганизмами, а также перехода части его в неактивное, связанное состояние конечная доза ионного серебра в емкости с обрабатываемой водой не остается постоянной. От опыта к опыту эта доза колеблется в пределах 0,01-0,02 мг/л.

Эта принятая минимальная доза ионного серебра обеспечивает эффективное комбинированное воздействие на микроорганизмы в сочетании с СВЧ-энергией в условиях потока воды.

Сама по себе такая доза ионного серебра не оказывает какого-либо заметного влияния на микроорганизмы даже в течение 60 минут.

Итак, анализ приведенных примеров (табл. 1) показывает, что добавление в поток обрабатываемой воды раствора ионного серебра в процессе СВЧ-обеззараживания и нагрева воды и применение устройства с трубкой расширяющейся формы обеспечивает:

- снижение температуры обеззараживания и нагрева воды на 10°С с 65°С до 55°С;

- увеличение КПД поглощения СВЧ-энергии на 7%;

- увеличение производительности на 35,1%;

- снижение энергозатрат на 21,6%.