DE102024000689A1

DE102024000689A1 - Device for the treatment of contaminated water by cavitation with a container

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Publication number: DE102024000689A1
Application number: DE102024000689.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2024-02-22
Filing date: 2024-02-22
Publication date: 2025-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser durch Kavitation mit einem Behälter. Die Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Wasser nach der Behandlung desinfiziert oder neutralisiert ist. Dazu besitzt der Behälter einen ersten Raum mit wenigstens einem Einlass zur Wasserzufuhr und einen zweiten Raum mit wenigstens einem Auslass zur Wasserabfuhr. Weiterhin sind der erste Raum und der zweite Raum über eine Düse mit einer mittels eines Antriebs veränderbaren Querschnittsfläche miteinander verbunden.The invention relates to a device for treating contaminated water by cavitation, comprising a container. The device for treating contaminated water is characterized in particular by the fact that the water is disinfected or neutralized after treatment. For this purpose, the container has a first chamber with at least one inlet for water supply and a second chamber with at least one outlet for water removal. Furthermore, the first chamber and the second chamber are connected to each other via a nozzle with a cross-sectional area that can be varied by means of a drive.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser durch Kavitation mit einem Behälter.The invention relates to a device for treating contaminated water by cavitation with a container.

Bekannterweise können starke Druckschwankungen Kavitation auslösen. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der statische Druck einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Fällt der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit, bilden sich Dampfblasen. Diese werden mit der strömenden Flüssigkeit mitgerissen. Mit einem erneuten Ansteigen des statischen Drucks über den Dampfdruck kondensiert der Dampf in den Hohlräumen schlagartig und die Dampfblasen kollabieren. Dabei treten extreme Druckspitzen und Temperaturspitzen auf.It is well known that strong pressure fluctuations can trigger cavitation. According to Bernoulli's law, the static pressure of a liquid decreases with increasing velocity. If the static pressure drops below the liquid's vapor pressure, vapor bubbles form. These bubbles are entrained by the flowing liquid. When the static pressure rises above the vapor pressure again, the vapor in the cavities suddenly condenses, and the vapor bubbles collapse. This results in extreme pressure and temperature peaks.

Durch die Druckschrift DE 10 2004 009 636 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von schadstoffbelasteten Wasser bekannt. Das schadstoffbelastete Wasser wird in einer Rohrleitung und durch wenigstens eine in der Rohrleitung angeordnete Verengung geführt. Dabei wird die Fließgeschwindigkeit des schadstoffbelasteten Wassers bei Durchtritt durch die Verengung unter abnehmendem Druck erhöht und in dem schadstoffbelasteten Wasser Kavitation erzeugt. Die Verengung ist insbesondere eine Lavaldüse. Die Dauer der Kavitation ist über die Länge der abströmseitig nach der Verengung angeordneten Rohrleitung oder mittels einer abströmseitig nach der Verengung in der Rohrleitung angeordneten Drossel steuerbar und so auch aufrechterhaltbar. Damit werden im schadstoffbelasteten Wasser enthaltene Schadstoffe zu unschädlichen Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt.Through the printed matter DE 10 2004 009 636 A1 A method and device for treating contaminated water is known. The contaminated water is conducted through a pipeline and at least one constriction arranged in the pipeline. The flow velocity of the contaminated water increases as it passes through the constriction under decreasing pressure, and cavitation is generated in the contaminated water. The constriction is, in particular, a Laval nozzle. The duration of the cavitation can be controlled and thus maintained via the length of the pipeline arranged downstream of the constriction or by means of a throttle arranged downstream of the constriction in the pipeline. This breaks down and/or converts pollutants contained in the contaminated water into harmless substances.

Die Druckschrift DE 10 2021 206 089 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser. Dazu ist an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kavitationsraum in einem ersten Volumenbereich mindestens eine Zuführung für insbesondere verunreinigten Wassers vorhanden. Der erste Volumenbereich weist eine konkave Innenwand auf. Über die Zuführung strömt verunreinigtes Wasser tangential in den ersten Volumenbereich des Kavitationsraumes ein. Der erste Volumenbereich geht in einen zweiten Volumenbereich über, der eine konvexe Innenwand aufweist. An den zweiten Volumenbereich schließt sich ein dritter Volumenbereich des Kavitationsraums an, der wieder eine konkave Innenwand aufweist. Dabei ist im ersten Volumenbereich ein größerer Innendurchmesser als im zweiten Volumenbereich eingehalten. Weiterhin ist der Innendurchmesser des dritten Volumenbereichs größer als der Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs. Durch den gesamten Kavitationsraum ist in seiner mittleren Längsachse eine hohlzylindrische Abführung geführt, die im dritten Volumenbereich mindestens eine Eintrittsöffnung für Wasser und außerhalb der Kavitationskammer einen Anschluss für eine Abführung von aufbereitetem Wasser aufweist. Die Geometrie im Innern der Vorrichtung mit den drei Volumenbereichen und die dazu eingehaltenen Abmessungen müssen in Abhängigkeit des vorgegebenen Volumenstroms ausgebildet sein.The printed matter DE 10 2021 206 089 A1 discloses a device for water treatment. For this purpose, at least one inlet, particularly for contaminated water, is provided in a rotationally symmetrical cavitation chamber in a first volume region. The first volume region has a concave inner wall. Contaminated water flows tangentially into the first volume region of the cavitation chamber via the inlet. The first volume region merges into a second volume region, which has a convex inner wall. A third volume region of the cavitation chamber, which again has a concave inner wall, adjoins the second volume region. The first volume region has a larger inner diameter than the second volume region. Furthermore, the inner diameter of the third volume region is larger than the inner diameter of the second volume region. A hollow cylindrical outlet runs through the entire cavitation chamber in its central longitudinal axis. This outlet has at least one inlet opening for water in the third volume region and, outside the cavitation chamber, a connection for discharging treated water. The geometry inside the device with the three volume areas and the associated dimensions must be designed depending on the specified volume flow.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kontaminiertes Wasser so zu behandeln, dass desinfiziertes oder neutralisiertes Wasser bereitstellbar ist.The invention defined in claim 1 is based on the object of treating contaminated water in such a way that disinfected or neutralized water can be provided.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved with the features listed in patent claim 1.

Die Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser durch Kavitation mit einem Behälter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Wasser nach der Behandlung desinfiziert oder neutralisiert ist.The device for treating contaminated water by cavitation with a container is particularly characterized by the fact that the water is disinfected or neutralized after treatment.

Dazu besitzt der Behälter einen ersten Raum mit wenigstens einem Einlass zur Wasserzufuhr und einen zweiten Raum mit wenigstens einem Auslass zur Wasserabfuhr. Weiterhin sind der erste Raum und der zweite Raum über eine Düse mit einer mittels eines Antriebs veränderbaren Querschnittsfläche miteinander verbunden.For this purpose, the container has a first chamber with at least one inlet for water supply and a second chamber with at least one outlet for water removal. Furthermore, the first chamber and the second chamber are connected to each other via a nozzle with a cross-sectional area that can be varied by means of a drive.

Kontaminiertes Wasser weist insbesondere Schadstoffe und Mikroorganismen auf. Das kontaminierte Wasser wird dem Behälter mit dem ersten Raum, der Düse und dem zweiten Raum zugeführt. Die Düse zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum führt zu starken Druckschwankungen des Wassers beim Durchströmen des Behälters mit dem ersten Raum, der Düse und dem zweiten Raum. Diese Druckschwankungen führen zur Bildung von Dampfblasen durch Kavitation in der Düse, welche nach der Düse kollabieren. Dabei treten hohe Druckspitzen und Temperaturspitzen auf. Die Kavitation kann aber nur bei definierten Druckverhältnissen vor und hinter der Düse stattfinden. Bei einer statischen Düse bedeutet das, dass die Durchflussmenge durch die Düse und damit der Durchsatz konstant sein muss. Dieser Sachverhalt führt aber zu einem erhöhtem Aufwand.Contaminated water contains particularly harmful substances and microorganisms. The contaminated water is fed into the tank with the first chamber, the nozzle, and the second chamber. The nozzle between the first and second chambers causes strong pressure fluctuations in the water as it flows through the tank with the first chamber, the nozzle, and the second chamber. These pressure fluctuations lead to the formation of vapor bubbles due to cavitation in the nozzle, which collapse downstream of the nozzle. This results in high pressure and temperature peaks. However, cavitation can only occur under defined pressure conditions upstream and downstream of the nozzle. With a static nozzle, this means that the flow rate through the nozzle, and thus the throughput, must be constant. This, however, leads to increased complexity.

Vorteilhafterweise ist die Querschnittsfläche der Düse veränderbar, so dass die Durchflussmenge bedarfsgerecht variierbar ist. Erhöht sich der Druck am Eingang der Düse, kann die Querschnittsfläche vergrößert werden, so dass sich der Durchsatz an Wasser erhöht. Verringert sich der Druck am Eingang der Düse, kann die Querschnittsfläche verkleinert werden, so dass sich der Durchsatz an Wasser verringert. Damit ist ein dynamischer Kavitationsgenerator ausgebildet. Der Druck am Eingang der Düse ist dabei durch die zugeführte Wassermenge bestimmt.Advantageously, the cross-sectional area of the nozzle is variable, allowing the flow rate to be varied as needed. If the pressure at the nozzle inlet increases, the cross-sectional area can be increased, thus increasing the water throughput. If the pressure at the nozzle inlet decreases, the cross-sectional area can be reduced, thus reducing the water throughput. This allows for dynamic cavitation. generator. The pressure at the inlet of the nozzle is determined by the amount of water supplied.

Die Energien der kollabierten Dampfblasen sind zur mechanischen Schädigung von Schadstoffen und/oder Mikroorganismen im damit kontaminiertem Wasser nutzbar. Gleichzeitig werden diese Schadstoffe und/oder Mikroorganismen durch die auftretenden Temperaturspitzen erhitzt, so dass auch dadurch hervorgerufene oder weitere Schädigungen verursacht werden. Diese Schädigungen können dazu führen, dass insbesondere Mikroorganismen abgetötet werden. Schadstoffe können so beeinflusst werden, dass diese keine Schäden mehr verursachen oder durch weitere Verfahren leichter unschädlich gemacht werden können.The energy of the collapsed vapor bubbles can be used to mechanically damage pollutants and/or microorganisms in the contaminated water. At the same time, these pollutants and/or microorganisms are heated by the resulting temperature peaks, causing either the resulting damage or further damage. This damage can lead to the destruction of microorganisms, in particular. Pollutants can be influenced in such a way that they no longer cause damage or can be more easily rendered harmless through further processes.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Weiterbildungen und Ausführungsformen aufgeführt. Diese können die Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser durch Kavitation mit einem Behälter einzeln oder in einer Kombination fortbilden.Advantageous refinements of the invention are set forth in the following developments and embodiments. These can further develop the device for treating contaminated water by cavitation with a container, either individually or in combination.

Die Düse besitzt ein Kegelelement oder eine konische Düsennadel zur Veränderung der Querschnittsfläche der Düse, wobei das Kegelelement oder die konische Düsennadel mit dem Antrieb verbunden ist.The nozzle has a conical element or a conical nozzle needle for changing the cross-sectional area of the nozzle, whereby the conical element or the conical nozzle needle is connected to the drive.

Die Düse und/oder das Kegelelement oder die Düsennadel ist oder sind in einer Ausführungsform mit einem Ultraschallgenerator verbunden.In one embodiment, the nozzle and/or the cone element or the nozzle needle is or are connected to an ultrasonic generator.

In einer Ausführungsform ist die Düse aus wenigstens zwei übereinander angeordneten Platten mit jeweils einer Öffnung so ausgebildet, dass die Öffnungen der Platten die Querschnittsfläche der Düse sind und dass wenigstens eine der Platten mit dem Antrieb verbunden ist, so dass durch Bewegung der mit dem Antrieb verbundenen Platte die Querschnittsfläche der Düse veränderbar ist.In one embodiment, the nozzle is formed from at least two plates arranged one above the other, each having an opening, such that the openings of the plates are the cross-sectional area of the nozzle and that at least one of the plates is connected to the drive, so that the cross-sectional area of the nozzle can be changed by moving the plate connected to the drive.

Die mit dem Antrieb verbundene Platte ist in einer Ausführungsform in Bezug zur anderen Platte verschiebbar.In one embodiment, the plate connected to the drive is movable relative to the other plate.

Die Düse oder wenigstens eine der Platten ist in einer Ausführungsform mit jeweils der Öffnung mit einem Ultraschallgenerator verbunden.In one embodiment, the nozzle or at least one of the plates is connected to an ultrasonic generator via its opening.

Der Antrieb ist in einer Ausführungsform ein handbetätigter Antrieb oder ein Motor.In one embodiment, the drive is a manually operated drive or a motor.

Im Bereich der Querschnittsverengung und/oder nach der Querschnittsverengung der Düse befindet sich in einer Ausführungsform eine Einrichtung zur Zuführung wenigstens eines Gases, welches Sauerstoff oder Luft sein kann. Die Einrichtung zur Zuführung des Gases kann dazu ein offenporiger Körper sein oder einen offenporigen Körper aufweisen. Die Poren bestimmen die Größe der Blasen.In one embodiment, a device for supplying at least one gas, which can be oxygen or air, is located in the area of the cross-sectional constriction and/or downstream of the cross-sectional constriction of the nozzle. The device for supplying the gas can be an open-pored body or comprise an open-pored body. The pores determine the size of the bubbles.

Die Einrichtung zur Zuführung des Gases ist in einer Ausführungsform mit einem Ultraschallgenerator verbunden.In one embodiment, the device for supplying the gas is connected to an ultrasonic generator.

Der erste Raum ist in einer Ausführungsform so ausgebildet und der Einlass zur Wasserzufuhr so angeordnet, dass das zugeführte Wasser auf einer schraubenförmig sich verjüngenden Bahn vom Einlass zur Düse geführt ist.In one embodiment, the first space is designed and the inlet for the water supply is arranged in such a way that the supplied water is guided on a helically tapered path from the inlet to the nozzle.

Der Behälter besitzt in einer Ausführungsform einen Schallwandler. Weiterhin sind der der Schallwandler und der Antrieb mit einer Steuereinrichtung insbesondere einem Datenverarbeitungssystem verbunden. Die Kavitation führt zu Schallwellen im zu behandelnden Wasser. Diese Schallwellen sind ein Maß für die Kavitation und damit ein Maß für das behandelte Wasser.In one embodiment, the tank has a sound transducer. Furthermore, the sound transducer and the drive are connected to a control device, in particular a data processing system. Cavitation leads to sound waves in the water being treated. These sound waves are a measure of the cavitation and thus a measure of the treated water.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in principle in the drawings and is described in more detail below.

Es zeigen:

1 eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser durch Kavitation mit einem Behälter und
2 eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser mit einer Nadeldüse.

They show:

1 a device for treating contaminated water by cavitation with a container and
2 a device for treating contaminated water using a needle nozzle.

Eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser 2 durch Kavitation besteht im Wesentlichen aus einem Behälter 1 mit einem ersten Raum 4, einem zweiten Raum 5 und einer Düse 6 mit einer veränderbaren Querschnittsfläche.A device for treating contaminated water 2 by cavitation essentially consists of a container 1 with a first chamber 4, a second chamber 5 and a nozzle 6 with a variable cross-sectional area.

Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser 2 durch Kavitation mit einem Behälter 1 in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a device for treating contaminated water 2 by cavitation with a container 1 in a schematic representation.

Der Behälter 1 besitzt den ersten Raum 4 mit wenigstens einem Einlass 7 zur Zufuhr des kontaminierten Wassers 2 und den zweiten Raum 5 mit wenigstens einem Auslass 8 zur Abfuhr des behandelten Wassers 3. Der erste Raum 4 und der zweite Raum 5 sind über die Düse 6 miteinander verbunden. Dazu kann der erste Raum 4 trichterförmig in Richtung der Düse 6 ausgebildet sein. Darüber hinaus kann auch der zweite Raum 5 eine in Richtung der Düse 6 weisende Trichterform besitzen. Die Querschnitte des ersten Raumes 4 und des zweiten Raumes 5 sind vorteilhafterweise kreisförmig ausgebildet. Insbesondere der Einlass 7 kann sich an einer Seitenwand des Behälters 1 befinden, so dass das zugeführte Wasser 2 auf einer schraubenförmig sich verjüngenden Bahn vom Einlass zur Düse geführt ist. Die Düse 6 besitzt ein Kegelelement 9, mittels welchem die Querschnittsfläche der Düse 6 veränderbar ist. Dazu ist das Kegelelement 9 mit einem Antrieb 10 verbunden, der ein handbetätigter oder motorischer Linearantrieb 10 sein kann.The container 1 has the first chamber 4 with at least one inlet 7 for supplying the contaminated water 2 and the second chamber 5 with at least one outlet 8 for discharging the treated water 3. The first chamber 4 and the second chamber 5 are connected to each other via the nozzle 6. For this purpose, the first chamber 4 can be funnel-shaped in the direction of the nozzle 6. Furthermore, the second chamber 5 can also have a funnel shape pointing in the direction of the nozzle 6. The cross sections of the first chamber 4 and the second chamber 5 are advantageously circular. In particular, the inlet 7 can be located on a side wall of the container 1, so that the supplied water 2 is guided along a helically tapered path from the inlet to the nozzle. The nozzle 6 has a conical element 9, by means of which the cross-sectional area of the nozzle 6 can be varied. For this purpose, the conical element 9 is connected to a drive 10, which can be a manually operated or motorized linear drive 10.

Die 2 zeigt eine Einrichtung zur Behandlung von kontaminierten Wasser 2 mit einer Nadeldüse in einer prinzipiellen Darstellung.The 2 shows a device for treating contaminated water 2 with a needle nozzle in a schematic representation.

In einer Ausführungsform besitzt die Düse 6 zwischen dem ersten Raum 4 und dem zweiten Raum 5 eine Nadel 17 mittels welcher die Querschnittsfläche der Düse 6 veränderbar ist. Dazu ist die Nadel 17 mit dem Antrieb 10 verbunden. Im Bereich der Querschnittsverengung und/oder nach der Querschnittsverengung der Düse 6 befindet sich eine Einrichtung zur Zuführung wenigstens eines Gases. Das kann insbesondere ein in diesem Bereich endender Kanal 15 sein, der mit einer gasfördernden Einrichtung 14 verbunden ist. Das Gas ist vorteilhafterweise Luft. Die Düse 6 und damit auch der Kanal 15 sind mit einem Ultraschallgenerator 12 verbunden. Die Bildung der Dampfblasen und weiterer Gasblasen wird damit begünstigt. Im Kanal 15 kann sich ein Körper aus einem offenporigem Material befinden oder der Kanal 15 selbst kann ein offenporiger Körper sein. Die Größe der Poren bestimmt so die Größe der Gasblasen. Der Behälter 1 und dabei insbesondere der zweite Raum 5 ist mit einem Schallwandler 16 zur Erfassung der bei der Kavitation auftretenden Schallwellen im Wasser des zweiten Raumes 5 verbunden.In one embodiment, the nozzle 6 has a needle 17 between the first chamber 4 and the second chamber 5, by means of which the cross-sectional area of the nozzle 6 can be varied. For this purpose, the needle 17 is connected to the drive 10. In the region of the cross-sectional constriction and/or downstream of the cross-sectional constriction of the nozzle 6 there is a device for supplying at least one gas. This can in particular be a channel 15 ending in this region, which is connected to a gas-conveying device 14. The gas is advantageously air. The nozzle 6 and thus also the channel 15 are connected to an ultrasonic generator 12. This promotes the formation of vapor bubbles and further gas bubbles. The channel 15 can contain a body made of an open-pore material, or the channel 15 itself can be an open-pore body. The size of the pores thus determines the size of the gas bubbles. The container 1 and in particular the second chamber 5 is connected to a sound transducer 16 for detecting the sound waves occurring during cavitation in the water of the second chamber 5.

Eine kontaminiertes Wasser 2 zuführende Einrichtung 13, der Antrieb 10, der Ultraschallgenerator 12, die gasfördernde Einrichtung 14 und der Schallwandler 16 sind mit einer Steuereinrichtung 11 insbesondere in Form eines Datenverarbeitungssystems 11 verbunden.A contaminated water 2 supplying device 13, the drive 10, the ultrasonic generator 12, the gas conveying device 14 and the sound transducer 16 are connected to a control device 11, in particular in the form of a data processing system 11.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2004 009 636 A1 [0003]
DE 10 2021 206 089 A1 [0004]

Claims

Device for treating contaminated water (2) by cavitation with a container (1), characterized in that the container (1) has a first space (4) with at least one inlet (7) for water supply and a second space (5) with at least one outlet (8) for water removal and that the first space (4) and the second space (5) are connected to one another via a nozzle (6) with a cross-sectional area that can be changed by means of a drive (10).

Facility according to Patent claim 1 , characterized in that the nozzle (6) has a conical element (9) or a conical nozzle needle (17) for changing the cross-sectional area of the nozzle (6) and that the conical element (9) or the conical nozzle needle (17) is connected to the drive (10).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 and 2 , characterized in that the nozzle (6) and/or the conical element (9) or the nozzle needle (17) is or are connected to an ultrasonic generator (12).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 3 , characterized in that the nozzle (6) is formed from at least two plates arranged one above the other, each having at least one opening, such that the openings of the plates are the cross-sectional area of the nozzle (6), and that at least one of the plates is connected to the drive (10) so that the cross-sectional area of the nozzle (6) can be changed by moving the plate connected to the drive (10).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 4 , characterized in that the plate connected to the drive (10) is displaceable relative to the other plate.

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 5 , characterized in that the nozzle (6) or at least one of the plates with the opening is connected to an ultrasonic generator (12).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 6 , characterized in that the drive (10) is a manually operated drive (10) or a motor (10).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 7 , characterized in that a device for supplying at least one gas is located in the region of the cross-sectional constriction and/or after the cross-sectional constriction of the nozzle (6).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 8 , characterized in that the device for supplying the gas is connected to an ultrasonic generator (12).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 9 , characterized in that the first space (4) is designed and the inlet (2) for the water supply is arranged in such a way that the supplied water is guided on a helically tapered path from the inlet (2) to the nozzle (6).

Facility according to at least one of the Patent claims 1 until 10 , characterized in that the container (1) has a sound transducer (16) and that the sound transducer (16) and the drive (10) are connected to a control device (11).