Spôsob a zariadenie na úpravu kvapaliny

Číslo patentu: E 9098

Dátum: 28.12.2007

Autor: Pöschl Günter

Je ešte 5 strán.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

0001 Vynález sa týka spôsobu na úpravu kvapaliny. Vynález sa týka hlavne spôsobu na privedenie plynu do kvapaliny.0002 Naplnenie kvapaliny plynom je výhodné pre rozmanité účely. Umožňuje napriklad chemické reakcie medzi plynom a kvapalinou, alebo medzi plynom a látkami obsiahnutými v kvapaline. Možný účel použitia sa nachádza v úprave vody, ako pitnej vody tak aj odpadovej vody, kde privedením príslušných reakčných plynov možno redukovat zaťaženie choroboplodnými zárodkami. 0003 Vzniká technický problém v tom ako zvýšiť podiel množstva plynu účinne privedeného do kvapaliny. Cím vyšší je tento podiel, tým vo väčšej miere možno uskutočňovať chemickú reakciu medzi plynom a kvapalinou. Preto sa dlho diskutuje ako podporiť rozdelenie privádzaného plynu do kvapaliny pomocou ultrazvuku.0004 V SU 1240439 A 1 je ukázaný špeciálny rotujúci kavitačný prvok, ktorý tvorí najbližšie prichádzajúci stav techniky. Tam použité obežné koleso je vybavená kanálikmi, ktoré sú na svojom konci na strane obežného kolesa uzatvorené membránami. Zdroj tlaku, usporiadaný ďaleko od obežného kolesa, vytvára tlakové rozdiely v médiu existujúcom v kanálikoch, ktoré periodicky meni polohu membrán vzhľadom na povrch obežného kolesa a tak podporuje vznik kavitácie.0005 Úlohou vynálezu je poskytnúť účinný spôsob na privedenie plynov do kvapaliny.0006 Na to má spôsob na úpravu kvapaliny nasledovné kroky- privedenie upravovanej kvapaliny do priestoru- pôsobenie mechanického kavitačného prvku na kvapalinu pri privádzani plynu do oblasti povrchu kavitačného prvku a privádzanie plynu do kvapaliny pohybom kavitačného prvku a- privedenie zvukových vln bezprostredne do kvapaliny najmenej jedným akustickým výkonovým meničom.0007 Privádzanie plynu do kvapaliny sa pritom uskutočňuje tzv. dvojstupňovo. Kavitačným prvkom sa najprv dosiahne zmiešanie plynu s kvapalinou, pri ktorom je stredná veľkost bublín ešte relatívne vysoká. Pretože plyn sa privádza hlavne pomocou prívodného vedenia plynu bezprostredne na povrch kavitačného prvku, je zaistené, že plyn sa kavitačným procesom do kvapaliny dostane prakticky úplne. Zvukové vlny, ktoré sú privádzané do kvapaliny akustickým výkonovým meničom,spôsobujú ako druhý stupeň zmenšovanie plynových bublín tak, že stredná veľkosť bublín sa vcelej kvapaline zreteľne redukuje. Pritom si však treba všimnúť, že pohyb kavitačného prvku a ozvučenie priestoru a tým procesy privádzania plynu a zmenšovanie bublín sa uskutočňujú súčasne. Aj týmto spôsobom sa dosiahne sonochemické rozpustenie plynu v kvapaline, pričom vyšší a hlavne prevažujúci podiel plynu je v molekulárne disperzívne rozpustenej forme. Plyn môže byť ako čistá látka, alebo zmes látok.0008 Týmto spôsobom možno dosiahnuť napriklad strednú veľkosť bublín menej ako 50 m, ako aj vytvorit vyšší podiel bublín v rozsahu nanometrov až angströmov.0009 Spôsobom podľa vynálezu je možné priviesť zreteľne vyššl podiel plynu do kvapaliny, ako pomocou obvyklých známych spôsobov.0010 Výhodne sa pri privádzani kvapaliny priestor úplne vyplní kvapalinou tak, že zvukové vlny s šíria celým priestorom a môžu sa do kvapaliny odrážať zo všetkých smerov. Privedené množstvo plynu je výhodne zvolené tak, že privádzanie plynu sa uskutočňuje výhodne tak, že nad kvapalinou nevzniká objem plynu.0011 Akustický výkonový menič je výhodne piezoelektrický prvok, ktorý môže byt napríklad vyhotovený v tvare kotúčov.0012 Je možné v priestore usporiadať len jeden, dva, alebo množstvo akustických výkonových meničov. Každý z akustických výkonových meničov má priamy kontakt s kvapalinou tak, že zvukové vlny sa vyžarujú priamo do kvapaliny. Priamy kontakt vtejto súvislosti znamená, že vibrácie z výkonového meniča do kvapaliny neprivádzajú vodivé tuhé telesá, ako to napríklad robí sonotróda. Avšak kvapalina je priamo na výkonovom meniči, čiže zdroji ultrazvuku.0013 Výhodne akustický výkonový menič vydáva zvukové vlny rôznych frekvencii. Ak je viacero výkonových meničov, vytvárajú vždy zvukové vlny v rovnakom alebo rôznom frekvenčnom rozsahu. Ukázalo sa, že je výhodou, ked na kvapalinu pôsobí takáto frekvenčná zmes, aby sa rozpustilo veľa pl nu.0014 yVýhodne je frekvencia zvukových vÍn v ultrazvukovej oblasti, hlavne od 400 do 1500 kHz. Zvlášť výhodne sa používajú frekvencie od 600 do 1200 kHz.-2 0015 Vo výhodnom uskutočnení vynálezu sa akustický výkonový menič prevádzkuje impulzne. Trvanie týchto pulzov je pritom tak zvolené, že sa uskutočňuje čo najefektívnejšie drobenie plynových bublín a rozpúšfanie plynu v kvapaline. Ak je viacero výkonových meničov, môžu byt v impulznej prevádzke všetky alebo len niektoré z nich, prevádzkované s rovnakým alebo rôznym trvaním a s frekvenciami pulzov. I0016 Je možné v priestore usporiadať odrážače zvukových vln, ktore odrážajú zvukové vlny do kvapaliny.0017 Pohyb mechanického kavitačného prvku je výhodne rotačný pohyb, pretože sa jednoduchým spôsobom dá dosiahnut kavitačný účinok. Ako mechanický kavitačný prvok sa výhodne používa obtekané teleso, ktoré je tak vytvarované, že pozdlž svojho povrchu vytvára zóny s čo najvyššou rýchlosťou prúdenia, aby sa dosiahol čo najvyšší kavitačný účinok a tým dobré premiešanie plynu s kvapalinou.0018 Mechanický kavitačný prvok je vytvorený napríklad v tvare kotúča alebo disku. Pritom sa používa kotúč, ktorý je vybavený špeciálnymi štruktúrami, ako napríklad elipsovými kapsami,v oblasti ktorých sa vytvárajú veľmi vysoké rýchlosti prúdenia.0019 Privádzanie plynu sa výhodne uskutočňuje v oblasti najvyššej rýchlosti prúdenia na povrchu kavitačneho pNku, pretože sa ukázalo, že sa dá dosiahnut zvlášť dobré premiešanie. Toto sa môže uskutočňovať v oblasti spomenutých štruktúr, alebo aj v oblasti okraja kotúča.0020 Vo výhodnom uskutočnení vyhotovenia prúdi kvapalina cez priestor. Spôsob sa takto používa nielen na stojace objemy kvapaliny, ale aj na kvapalinu prúdiacu v prietokovom režime cez príslušné zariadenie.0021 Pojem priestoŕ pritom treba rozumiet široko. Opisuje v podstate súvisiace objemy a kavitačný prvok až po objemy okolo akustického výkonového meniča. Tieto objemy môžu byt vbezprostrednej blízkosti vela seba. alebo vurčitom rozstupe od seba, v ktorom prirodzene spolurozhoduje odplyňovanie plynu privedeného kavitačným prvkom do kvapaliny. Priestor môže byt vytvorený zjedinej väčšej komory. vktorej je usporiadaný jednak kavitačný prvok, ako aj akustický (akustické) výkonový menič (meniče), alebo aj viacerých komôr, ktoré sú však navzájom súvislo spojené potrubiami, pričom kavitačný prvom a akusticke výkonové meniče sú vždy usporiadané v jednej komore. Dôležité je však, že ultrazvuk pôsobí až po kavitačný prvok. Je však vždy výhodné, keď cez celý priestor, ktorý zahŕňa kavitačný prvok a akustický alebo akustické výkonové meniče, prechádzajú podľa možnosti rovnomerne zvukové vlny akustického/akustických výkonových meničov.0022 Výhodne je kavitačný prvok usporiadaný protiprúdne od akustického výkonového meniča tak, že relativne velké bubliny privádzané kavitačným prvkom do kvapaliny nakoniec zachytávajú zvukové vlny akustického alebo akustických výkonových meničov a tým sa rozdrobujú a plyn sa rozpúšta.0023 Je možné kvapalinu odplynit pred úpravou s kavitačným prvkom a zvukovými vlnami. Toto má výhodu, že sa zvýši rozpustnost privádzaného plynu, pričom iné plyny sa predtým z kvapaliny odstránia.0024 Na odplyňovanie sa môže napríklad usporiadať najmenej jeden akustický výkonový menič protiprúdne od kavitačného prvku. Tento akustický výkonový menič sa výhodne predpokladá navyše k výkonovému meniču usporiadanému proti prúdu od kavitačneho prvku. Ukázalo sa, že odplyňovanie pomocou akustického výkonového meniča je velmi účinné. Týmto spôsobom je kvapalina, ktorá sa dostáva ku kavitačnému prvku, do velkej miery bez plynu a preto sa vo zvýšenej miere dá znovu naplniť plynom.0025 Ďalej sa ukázalo, že pre kvapalinu môže časový odstup medzi prechodom cez kavitačný prvok a prechodom cez akustický výkonový menič môže byt až 10 sekúnd bez toho, aby vznikla strata účinnosti zavádzania plynu.0026 Plyn sa môže do systému privádzat v kvapalnej forme, čo uľahčuje prívod a skladovanie. Ak sa používa napríklad kvapalný kyslík, vzniká okrem toho výhodný chladiaci účinok na kavitačný prvok a okolitú kvapalinu, čo zvyšuje rozpustnost plynu v kvapalina, pretože teplota kvapaliny sa môže cielene znížiť.0027 Spôsob podľa vynálezu sa dá velmi dobre použit na úpravu vody, hlavne pitnej alebo odpadovej vody.0028 Preto sa hlavne predpokladá, že plyn obsahuje najmenej jeden plyn s oxidačnými vlastnosťami, napríklad ozón.0029 Na vytvorenie ozónu je možné, aby sa plyn pred privedením ku kavitačnému prvku ošetril ultrafialovým svetlom. Ak sa ako plyn používa kyslík alebo vzduch, UV žiarenie spôsobuje premenu z kyslíka na ozón. Toto má výhodu, že silne reaktlvny ozón sa vyrába až bezprostredne pred svojim-3 kontaktom skvapalinou. Ošetrenie UV svetlom sa môže napríklad uskutočňovať bezprostredne pred výstupom plynu ku kavitačnému prvku, alebo aj na inom mieste prívodného systému plynu. Môže sa na to používat UV lampa. Mysliteľné je aj ožiarenie röntgenovým alebo gama žiarením. 0030 Spôsob podľa vynálezu sa dá použit napríklad na dezinfikovanie kvapaliny, alebo všeobecne na ničenie baktérií, vírusov, výtrusov húb, toxinov, alebo endokrinných látok, alebo na denaturovanie proteínov. Okrem toho sa dá vo všeobecnosti použit na plynovanie kvapalín, nielen vody alebo odpadovej vody, s akýmkoľvek vhodným plynom.0031 vynález sa okrem toho týka zariadenia hlavne na uskutočňovanie opisaného spôsobu s priestorom, mechanickým kavitačným pNkom usporiadaným vpriestore, zariadením na prívod plynu, ktorého vývod ústí v bezprostrednej blízkosti povrchu kavitačného prvku aakustického výkonového meniča usporiadaného v priestore, ktorý je tak usporiadaný, že vyžaruje zvukové vlny priamo do priestoru. Na úpravu kvapaliny sa priestor naplní kvapalinou, výhodne úplne, tak že pohyb mechanického kavitačného prvku vyvoláva v kvapaline kavitáciu a akustický alebo akustické výkonové meniče sú v priamom kontakte skvapalinou azvukové vlny sú napojené priamo na kvapalinu.0032 Na zvýšenie kavitačného účinku má priestor výhodne v oblasti kavitačného prvku rotačne nesymetrický prierez. Prierez môže byt napríklad v tvare mnohouholníka.0033 Ďalšie význaky avýhody vynálezu sa ukážu znásledného opisu prikladu uskutočnenia vzhľadom na pripojené výkresy. Na nich zobrazuje- Obrázok 1 čiastočný pohľad v reze na zariadenie podľa vynálezu na uskutočňovanie spôsobu podľa vynálezu- Obrázok 2 pohľad zvrchu v čiastočnom reze na zariadenie na obrázku 1- Obrázky 3 a 4 pohľady na mechanický kavitačný prvok na použitie v zariadeni podľa vynálezu a na uskutočňovanie spôsobu podľa vynálezu- Obrázky 5 a 6 pohľady na akustický výkonový menič na použitie vzariadeni podľa vynálezu a v spôsobe podľa vynálezu a- Obrázky 7 a 8 piezoelektrický prvok na použitie v akustickom výkonovom meniči podľa obrázkov 5 a 6.0034 Obrázok 1 zobrazuje zariadenie na uskutočňovanie spôsobu na úpravu kvapalín naplnením kvapaliny plynom.0035 Priestor 12 na zachytenie kvapaliny má prítok 14 a odtok 6. Priestor 12 v tomto príklade je vytvorený ako jediná komora.0036 Priestor sa prevádzkuje v prietokovom režime, t.j. kvapalina vteká rovnomernou rýchlosťou prúdenia cez prívod 14 do priestoru 12 a z odtoku 16 z priestoru 12 von. Prívod 14 a odtok 16 sú usporiadané navzájom odsadene na protiležiacich stranách priestoru 12 v axiálnom smere A. V prevádzke je zariadenie 10 tak nasmerované, že prívod 14 leží na spodnom konci priestoru 12. 0037 V prevádzke zariadenia 10 je celý priestor 12 úplne naplnený kvapalinou.0038 V blízkosti pritoku 14 sa nachádza mechanický Kavitačný prvok 17. Tu vytvarovaný do tvaru obtekaného telesa horizontálny aotočne uložený kotúč vtvare disku s proti sebe posadenými konvexnými stranami, ktoré sa stretávajú na ostrom obvodovom okraji. Konvenčný prvok 17 je spojený dutým hriadeľom, 18 plynulo reguIovatelným motorom 20, ktorý určuje rýchlosť otáčania kavitačného prvku 17. Kavitačný prvok 17 je úplne ponorený do kvapaliny a pohybuje sa tak rýchlo,že v kvapaline vzniká kavitácia.0039 Vo vnútri dutého hriadeľa 18 je vytvorené prívodné vedenie 21 plynu (pozrite obrázky 1 a 3),ktoré je časťou prívodného zariadenia plynu, cez ktoré je vedený plyn pre privádzanie do kvapaliny na povrchu kavitačného prvku 17. Kvôli tomu je prívodné vedenie 21 plynu spojené s kanálom 22,ktorý ústi mimo priestoru 12 a možno ho pripojit na napájanie (nezobrazené) plynom.0040 Plyn sa môže privádzat v kvapalnej forme, pričom podľa teploty kvapalného plynu je výhodné, ked plyn pri vstupe do kanála 22 je už v tvare plynu. Pri použití chladeného kvapalného plynu, ako napríklad kvapalného kyslíka, sa ukazuje výhodou, že prívodné zariadenie plynu súčasne prispieva ku chladeniu celého zariadenia 10 a tým aj ku chladeniu kvapaliny v priestore 12. 0041 Obrázky 3 a 4 zobrazujú možné vyhotovenie kavitačného prvku 17. Kavitačný prvok 17 má tvar kotúča vytvarovaného ako obtekané teleso, pričom čelná strana 40 je silnejšie konvexne-4 zakrivena ako zadná strana 42. Na čelnej strane 40 kavitačného prvku 17 sú dve elipsové kapsy 44. Viacero mierne navzajom odsadených káps 46 po obvode je vytvorených na zadnej strane 42,pričom hĺbka káps 44 a 46 je tak zvolená, že voblasti káps 44 sú medzi čelnou stranou 40 azadnou stranou 42 kavitačného prvku 17 vytvorené prierazy. Na obrázku 4 sú dva ztýchto prierazov označené referenčnou značkou 48. Na základe tohto tvaru sa vytvárajú vysoké rýchlosti prúdenia nielen v oblasti obvodového okraja kavitačného prvku 17, ale aj v oblasti káps 44 a 46,pričom práve na týchto miestach vzniká veľmi vysoký účinok kavitácie.0042 Prívodné vedenie 21 plynu ústi bezprostredne na povrchu kavitačného pNku 17, kde sa dá rozpoznať na obrázkoch 3 a 4.0043 Privádzaný plyn prúdi cez kanál 22, ktorý je priečnou dierou 25 spojený s dutým hriadeľom 18. Čast prívodného zariadenia plynu, ktorá je usporiadané medzi motorom 20 akavitačným prvkom 17, je tu usporiadané v puzdre 23. obopína dutý hriadel 18 a spája kavitačný prvok 17 s motorom 20. Prívodné vedenie 21 plynu končí vo vnútri kavitačného prvku 17 výtokom, ktorý je vytvorený z viacerých ústiacich kanálikov 50 nasmerovaných šikmo k osi M. ktoré vždy dosahujú po povrch kavitačného prvku 17 a v konkrétnom príklade dosahujú povrch na vnútornej strane káps 46. Plyn privádzaný prívodným zariadením plynu takto priamo vystupuje na povrch kavitačného pNku 17 aje v oblasti najvyššieho kavitačného účinku vnášaný do kvapaliny. Výstupný uhol a ústiacich kanálikov 50 (meraný ku kolmici) je tu približne 50 °. dá sa však prirodzene prispôsobiť príslušnému účelu použitia.0044 Plynové vedenie v bezprostrednej blízkosti povrchu kavitačného prvku sa môže uskutočniť aj na inom mieste, nielen cez kavitačný prvok.0045 Prierez priestoru 12 (pozrite obrázok 1) v oblasti kavitačného prvku 17 je zvolený odchylne od kruhového tvaru a nie je rotačne symetrický. Je napriklad vtvare mnohouholnika, napríklad trojuholníka, štvoruholníka, alebo päťuholnika. Toto slúži na zvýšenie kavitačného účinku tým, že brání vytvoreniu rotujúceho prúdenia okolo kavitačného prvku 17.0046 Priestor 12 je uzavretý stenou 24, ktorá zadržuje kvapalinu v priestore 12. K priestoru 12 sa okrem komory, v ktorej je usporiadaný kavitačný prvok 17, počítajú aj pripojovacie potrubia.0047 Priestor 12 pritom zahŕňa aj dva krátke, o 90 ° zalomené spojovacie nátrubky 30 a 32, na ktoré je vždy pripojený vždy jeden akustický výkonový menič 26 a 28 a ktoré spájajú akustické výkonové meniče 26 a 28 s komorou, ktorá obsahuje kavitačný prvok 17. Oba akustické výkonové meniče 26 a 28 sú tu vyhotovené ako zdroje ultrazvuku a pracujú vo frekvenčnom rozsahu od 400 do 1500 kHz, výhodne vo frekvenčnom rozsahu od 600 do 1200 kHz. Nátrubok 30 pritom ústi vo výške prívodu 14 smere obvodu komory posunutý o 90 °, pričom nátrubok 32 ústi vo výške odtoku 16, rovnako od neho posunutý o 90 °. Oba akustické výkonové meniče 26 a 28 sú axiálne navzájom vzdialené tak, že nemožno uskutočniť priamu väzbu zvukových vln jedného výkonového meniča na druhý výkonový menič. Akustické výkonové meniče nadväzujú ultrazvukovú energiu ako elementárnu vlnu priamo do kvapaliny atiež do kavitačného prvku 17 ato na oboch stranách každého kotúčového výkonového meniča 26 a 28.0048 Každý z akustických výkonových meničov 26 a 28 vyžaruje súčasne spektrum rôznych frekvencií.0049 Najmenej akustický výkonový menič 28, volitelne aj akustický výkonový menič 26 sa neprevádzkujú trvalo ale impulzne, pričom frekvencia impulzov a trvanie impulzov je vyladené na príslušnú geometriu priestoru 12, použitý plyn a použitú kvapalinu.0050 Obrázky 5 až 8 zobrazujú možné vytvarovanie akustického výkonového meniča, ako sa môže použiť pre akustické výkonové meniče 26 a 28.0051 Kotúčový akčný člen 60, ktorý tu pozostáva z piezoelektrického materiálu, je usporiadaný v puzdre 62, ktoré je výhodne vyrobené z elektricky nevodivej keramiky alebo umelej hmoty. Na oboch čelných stranách 64 je nanesená elektricky vodivá kontaktná vrstva, tu strieborná vrstva 66. Obe čelné strany 64 sú okrem toho, až na kruhovú oblasť, v blizkosti okraja potiahnuté chemicky inertnou ochrannou vrstvou 68, v prvom rade plynom, ktorá pokrýva celú oblast akčného člena 60,ktorá prichádza do styku s kvapalinou. Elektricky vodivá vrstva 66 slúži na nakontaktovanie a na budenie piezoelektrického materiálu aznámym spôsobom je spojená s regulovateľným zdrojom napätia.0052 Akčný člen 60 je vložený do puzdra 62 tak, že prechod medzi ochrannou vrstvou 68 a elektricky vodivou vrstvou 66 je utesnený elastickými tesneniami 70.0053 Kvapalina môže prúdit do puzdra 52 tak, že je v priamom kontakte s akčným členom 60. Takto môže akustický výkonový menič priamo naviazat zvukové vlny na kvapalinu.0054 Na naplnenie kvapaliny plynom sa kavitačný prvok 17 uvedie do takého rýchleho otáčania,že v kvapaline nastáva kavitácia. Cez prívodné zariadenie plynu je plyn privádzaný na povrch

MPK / Značky

MPK: B01F 3/04

Značky: zariadenie, úpravu, spôsob, kvapaliny

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/13-e9098-sposob-a-zariadenie-na-upravu-kvapaliny.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob a zariadenie na úpravu kvapaliny</a>

Podobne patenty