Результат интеллектуальной деятельности: БАКТЕРИЦИДНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ НА ПОДВОДНЫХ ОБИТАЕМЫХ ОБЪЕКТАХ

Изобретение относится к автономным системам водоочистки и может быть использовано на подводных и глубоководных обитаемых аппаратах (ПГА), где предъявляются повышенные требования к компактности, надежности, удобству в обслуживании и акустическим характеристикам оборудования, а также к обеспечению скрытности объекта.

Известны бактерицидные аппараты для обеззараживания воды типа БАКТ, серийно выпускаемые по техническим условиям ЦАКИ.066754.001ТУ и предназначенные для использования на надводных судах и в береговых условиях. Аппарат БАКТ представляет собой цилиндрический корпус, в полости которого размещена бактерицидная лампа ультрафиолетового излучения (УФ-лампа), и отдельно расположенный щит управления со стартерно-дроссельной схемой зажигания УФ-лампы.

Недостатками таких аппаратов БАКТ являются громоздкость конструкции, невозможность предварительного осветления воды, ненадежное (сопровождающееся мерцанием) зажигание УФ-лампы, низкий кпд по бактерицидному потоку и, как следствие, недостаточное качество обеззараживания воды, особенно в моменты пуска и остановки аппарата. По указанным причинам аппараты типа БАКТ на ПГА не используются.

Известен также бактерицидный аппарат для обеззараживания воды на подводных обитаемых объектах (патент №2233798, C02F1/32, 2004 г.). Данный аппарат состоит из U-образного корпуса, разделенного на секции и содержащего фильтрующий элемент, УФ-лампу, соединительный коллектор, перегородку с наклонными сквозными отверстиями и щит управления, соединенный электрокабелем с УФ-лампой. Этот бактерицидный аппарат был выбран в качестве прототипа заявляемого технического решения.

Прототипу присущи следующие недостатки.

1. Аппарат может выдавать некондиционную воду по причинам

- наличия в корпусе застойных зон, недоступных для УФ-лучей,

- мерцания УФ-ламп в момент зажигания и горения, что характерно для стартерно-дроссельных схем,

- неполного использования УФ-излучения,

- замедленного выхода УФ-ламп на стабильный режим горения - особенно при низкой температуре окружающего воздуха и чувствительности схемы зажигания УФ-ламп к колебаниям напряжения сети, что отрицательно влияет на надежность системы жизнеобеспечения ПГА,

- чувствительности схемы зажигания УФ-ламп к колебаниям напряжения сети, что отрицательно влияет на надежность системы жизнеобеспечения ПГА.

2. Невозможность быстрого и полного осушения аппарата.

3. Неудовлетворительные акустические характеристики аппарата, обусловленные мерцанием УФ-ламп и гудением дросселя.

4. Значительные габариты и масса.

Технической задачей заявляемого технического решения является

- повышение качества обеззараживания воды;

- повышение надежности системы жизнеобеспечения ПГА,

- уменьшение трудоемкости обслуживания оборудования;

- улучшение акустических характеристик ПГА;

- уменьшение габаритов и массы аппарата.

Технический результат обеспечивается тем, что УФ-лампа и фильтрующий элемент размещены в боковых секциях U-образного корпуса, а соединительный коллектор выполнен в виде состыкованных под углом 30-120° двух труб, к одной из которых соосно с УФ-лампой присоединен глухой карман, снабженный амортизирующей вставкой, при этом перегородка расположена в полости соединительного коллектора, а ее сквозные отверстия выполнены в виде каналов некруглого, например прямоугольного сечения, со светоотражающими поверхностями, например полированными, кроме того, щит управления выполнен автономным и укомплектован электронным пускорегулирующим аппаратом (ЭПРА) для зажигания УФ-лампы, содержащим электрически связанные между собой элементы, обеспечивающие питание УФ-лампы напряжением высокой частоты и плавное снижение частоты электрического тока в УФ-лампе в процессе зажигания от стартовой надрезонансной величины до рабочей подрезонансной величины, блоком питания, платой управления, построенной на базе микроконтроллера с обеспечением гальванической развязки по питанию, входным и выходным сигналам, и индикатором в виде символьного табло. Кроме того, схема ЭПРА выполнена на отдельной печатной плате и включает в себя преобразователь постоянного тока, полумостовой инвертор, резонансный контур, микросхему-драйвер, а также цепи: частотозадающую, сигнала о работе УФ-лампы, внешние и защитные.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами,

где на фиг.1 - корпус бактерицидного аппарата;

на фиг.2 - вид Б корпуса;

на фиг.3 - вид В корпуса;

на фиг.4 - разрез А-А;

на фиг.5 - принципиальная электрическая схема щита управления;

на фиг.6 - принципиальная электрическая схема ЭПРА.

Бактерицидный аппарат (фиг.1) состоит из U-образного корпуса и автономного щита управления, соединенных между собой электрическим кабелем.

Корпус бактерицидного аппарата (фиг.1) состоит из прямых секций 1 и 2 (отрезки трубы) и соединительного коллектора, образованного отрезками труб 3 и 4, соединенных между собой под углом 30-120°. При угле менее 30° затрудняется компоновка секций 1 и 2 и возрастает габарит аппарата по высоте. При угле более 120° ухудшается эффект самоосушения аппарата и возрастает его габарит по ширине. Прямые секции и соединительный коллектор состыкованы между собой, например, сваркой и образуют единую полость U-образной формы. В полости прямой секции 1 размещен патронный фильтрующий элемент 5, опирающийся на опору 6. Сверху секция 1 закрыта крышкой 7, которая прижимает фильтрующий элемент 5 к опоре 6.

В полости прямой секции 2 размещена бактерицидная УФ-лампа 8, помещенная в защитный кварцевый чехол 9. Нижний конец кварцевого чехла размещен в глухом кармане 10, пристыкованном к трубе 4 соединительного колена соосно с секцией 2, и опирается на амортизирующую вставку 11 (фиг.2), которая защищает кварцевый чехол от разрушения при воздействии внешних механических нагрузок. Секция 2 сверху закрыта крышкой 12, в которой размещены детали уплотнения кварцевого чехла и электроразъем 13 с кабелем 14 для подвода электропитания к УФ-лампе. В полости соединительного коллектора установлена перегородка 15, а ее наклонные сквозные отверстия 16 выполнены в виде каналов некруглого, например прямоугольного сечения, со светоотражающими поверхностями (фиг.3), например полированными. В самой нижней точке соединительного коллектора (в месте стыковки под углом труб 3 и 4) предусмотрен осушительный штуцер 17. Корпус аппарата снабжен штуцерами для подвода воды 18 и отвода воды 19, присоединенными тангенциально к прямым секциям 1 и 2, что обеспечивает закрутку потока воды (фиг.4).

Щит управления (фиг.5) содержит блок питания (БП); плату управления (ПУ); символьное табло (СТ); электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА).

На лицевой панели щита управления имеются тумблер подачи питания; кнопки «Включение», «Отключение», «Проверка ламп»; лампы «Питание», «Работа», «Неисправность»; дисплей индикатора за светофильтром.

Блок питания представляет собой преобразователь переменного напряжения 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение +24 В для питания органов индикации и системы управления.

Плата управления является основным ядром системы управления и построена на базе, например, 8-разрядного RISC микроконтроллера фирмы Atmel типа ATmega 8535. На ПУ обеспечена гальваническая развязка по питанию, входным и выходным сигналам.

Символьное табло представляет собой плату с восьмизнаковым символьным индикатором, выведенным на лицевую панель щита, и служит для отображения времени наработки лампы. Символьное табло позволяет отображать любую текстовую информацию.

Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) представляет собой малогабаритную плату с электронными элементами и служит для быстрого и надежного зажигания и эффективной работы УФ-лампы.

Электрическая схема ЭПРА (фиг.6) построена следующим образом.

Сетевое напряжение 220 В, 50 Гц преобразуется в постоянное напряжение, подаваемое на полумостовой инвертор (полупроводниковый преобразователь частоты). Инвертор управляется микросхемой-драйвером. Частота работы инвертора определяется задающей цепочкой. Инвертор коммутирует цепь с резонансным контуром, состоящим из дросселя, ограничивающего рабочий ток лампы, и конденсатора, шунтируемого лампой после зажигания (на схеме не показаны). Защитные цепи отключают инвертор в случае незажигания лампы или ее отсоединения. Цепь сигнала дает сигнал о работе УФ-лампы. Входной сигнал на запуск и выходной о работе лампы гальванически развязаны с внешними цепями.

Бактерицидный аппарат работает следующим образом.

При включении на щите управления тумблера подачи питания сетевое напряжение подается на ЭПРА и на БП, обеспечивающий внутренние цепи напряжением 24 В. ПУ выводит на СТ текущее время наработки лампы в часах и ожидает сигналов от кнопок. При нажатии на кнопку «Пуск» на ЭПРА устанавливается сигнал на включение лампы. Если в течение нескольких секунд от ЭПРА приходит сигнал о работе УФ-лампы, зажигается лампа «Работа», начинается отсчет времени наработки с выводом на СТ, иначе сигнал на включение снимается и через паузу подается вновь (повторное зажигание). Если сигнал от ЭПРА не приходит снова или пропадает во время работы УФ-лампы, сигнал включения снимается и зажигается лампа «Неисправность». При нажатии на кнопку «Стоп» сигнал включения УФ-лампы снимается, отсчет времени останавливается, лампы «Работа» и «Неисправность» гасятся.

При получении сигнала «Включение» частотозадающая цепь в ЭПРА устанавливает начальную (надрезонансную) частоту работы инвертора около 300 кГц и плавно снижает ее до рабочей (подрезонансной) частоты 30 кГц. При этом происходит прогрев электродных нитей лампы. Приблизительно через 0,3 с (время запуска задается частотозадающей цепью) частота падает до 40-50 кГц, при этом резонансный контур обеспечивает подачу на электроды УФ-лампы высокого напряжения, зажигающего лампу. При работающей УФ-лампе параметры резонансного контура меняются и на УФ-лампе устанавливаются рабочее напряжение и ток. С дополнительной обмотки дросселя напряжение подается на цепь выходного сигнала о работе лампы. В случае незажигания УФ-лампы сохраняется высокое напряжение. Защитные цепи фиксируют длительное перенапряжение и отсоединение лампы и отключают инвертор. При этом УФ-лампа гаснет и снимается выходной сигнал о работе лампы. Пропажа сигнала на включение лампы также приводит к остановке инвертора.

После того как УФ-лампа зажглась, исходная вода под напором подается в корпус аппарата через штуцер 18. При этом благодаря тангенциальному положению штуцера 18 крупные взвешенные частицы центробежными силами отбрасываются к периферии секции 1, концентрируются в пристеночной области и, сползая книзу, накапливаются в зазоре между элементом 5 и стенкой секции 1 (как в отстойнике). Таким образом происходит предварительное осветление воды от грубых примесей. Окончательное (тонкое) осветление происходит при фильтровании воды через тонкопористый элемент 5 в направлении снаружи внутрь. Осветленная вода по дренажному каналу 20 поступает в полость соединительного коллектора, где она подвергается интенсивному облучению УФ-лучами, как показано на фиг.3. Процессу облучения способствует то, что прямые и отраженные от полированной поверхности УФ-лучи воздействуют на поток воды, подвергающийся одновременной «закрутке» на перегородке 15. Причем УФ-лучи отражаются не только от наружной поверхности перегородки 15, но и от внутренних поверхностей каналов 16 (фиг.2), обеспечивая тем самым надежный бактерицидный эффект в зоне соединительного коллектора, т.е. в застойной зоне. При этом выполненные в перегородке каналы некруглого (например, прямоугольного) сечения по сравнению с каналами круглого сечения обеспечивают заведомо турбулентный режим течения воды, что способствует наиболее полному контакту всех молекул воды с УФ-лучами. «Закрученный» поток далее поступает в секцию 2, где завершается процесс обеззараживания воды при движении воды вдоль поверхности кварцевого чехла 9. Тангенциальное расположение штуцера 19 обеспечивает движение воды внутри секции 2 по спиральной траектории до самого выхода из аппарата, так что в итоге каждая молекула воды оказывается под воздействием УФ-лучей и подвергается обеззараживанию. В периоды бездействия системы (когда нет протока воды через аппарат) в соединительном коллекторе образуется, по существу, застойная зона, в которой потенциально возможно накопление и рост микрофлоры. Именно в эти периоды устройство аппарата обеспечивает высокую бактерицидную надежность и безопасность. Быстрое и полное осушение аппарата обеспечивается через соединительный коллектор и штуцер 17, чему способствует предлагаемая геометрическая форма коллектора.

Таким образом, предлагаемый бактерицидный аппарат, как совокупность известных и новых существенных признаков, обеспечивает достижение поставленной технической задачи, а именно:

- повышено качество очистки воды и, как следствие, повышена надежность аппарата за счет эффективной предочистки воды центробежными силами; обеззараживающего действия ближних и дальних (отраженных) УФ-лучей, быстрого (практически мгновенного) зажигания УФ-лампы даже при низких температурах;

- повышена эксплуатационная надежность системы за счет выдачи информации о состоянии УФ-лампы и обеспечения возможности, в случае необходимости, произвести ее перезажигание, а также проинформировать персонал о неисправности;

- обеспечена возможность диагностики УФ-лампы и отладки алгоритма работы устройства непосредственно в системе, не нарушая механических и электрических связей;

- обеспечено быстрое и полное осушение аппарата за счет оптимальной геометрии соединительного коллектора;

- улучшены акустические характеристики ПГА благодаря возможности пуска и длительной работы бактерицидного аппарата без мерцания УФ-лампы и гудения дросселя;

- улучшены массогабаритные характеристики аппарата за счет исключения внешних коллекторов (трубопроводов), соединяющих секции аппарата.

Так, при разработке рабочей конструкторской документации (РКД) заявляемого аппарата специального назначения производительностью 1 м³/ч установлено, что только за счет указанных факторов удалось снизить габаритный объем аппарата на 15% и его массу на 20% по сравнению с аппаратом известной конструкции такой же производительности. Кроме того, за счет построения системы управления на базе современной электроники значительно (примерно на 30%) уменьшены габариты щита управления.

При изучении и анализе известных технических решений не выявлены другие объекты, порочащие новизну заявляемого изобретения.