CN113443771B - 多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法 - Google Patents

Abstract

本发明多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法，其中，多级冷冻自动净水器，包括冷冻模块和融化模块，冷冻模块包括自上而下依次层叠布置的若干个冷冻池，融化模块包括与冷冻池一一对应设置的若干个融化池，融化池内设置有超声波振子，超声波振子上连接有超声波探头，冷冻模块和融化模块通过制冷机组进行热交换，冷冻模块、融化模块、超声波振子、超声波探头和制冷机组均连接控制器并受其控制，待处理废水在冷冻模块和融化模块之间进行多级冷冻、融化。其目的是为了提供一种操作简单、适用面广、占地小、能耗低且能够对不同水质废水进行无差别净化处理的多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法。

Description

多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法

技术领域

本发明涉及水、废水或污水的多级处理，特别是涉及一种多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法。

背景技术

随着经济的发展，人民生活水平逐渐提高。一方面，随着工业化进程的不断推进，环境污染问题日趋严重，特别是水环境状况仍在恶化；另一方面，随着消费升级，生活品质的提高，人们越来越关注健康与养生，对水质的要求也越来越高，净水器因此成了很多家庭不可或缺的家电，净水器市场的需求也随之增大。

现有的家庭终端净水器具包括活性炭、多功能过滤膜滤、消毒等产品，但是其使用不当可能造成水质二次污染和水的大量浪费，另外，这些终端净水器具的实际作用和功能经常被夸大或误解，变相地加剧了人们对城镇饮用水安全性的担忧。

现在常见的水处理装置主要采用膜处理法、离子交换法，这些方法都存在一些缺陷，超滤膜处理法的缺陷在于不能除重金属、膜质量参差不齐，有浓水排放、不环保等问题，而且处理后的水中缺少矿物质和微量元素，无益人体健康。另外，常见的净水装置结构复杂、造价过高，不利于面向普通家庭大规模推广，长时间使用净水器使用后如未能一直保持超滤膜滤芯处于湿润状态的话，超滤膜滤芯会干化，并由此导致产水量急剧下降且无法恢复，净水产品滤芯随着使用时间的延长，水中的杂质会堵塞滤芯，活性炭滤芯会吸附饱和，需要定期更换，更换不便，使用成本高，而长时间不更换容易滋生细菌，对消毒净化效果产生不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单、适用面广、占地小、能耗低且能够对不同水质废水进行无差别净化处理的多级冷冻自动净水器。

为了解决上述技术问题，本申请提供了如下技术方案：

本发明多级冷冻自动净水器，包括冷冻模块和融化模块，所述冷冻模块包括自上而下依次层叠布置的若干个冷冻池，所述融化模块包括与所述冷冻池一一对应设置的若干个融化池，所述融化池内设置有超声波振子，所述超声波振子上连接有超声波探头，所述冷冻模块和融化模块通过制冷机组进行热交换，所述冷冻模块、融化模块、超声波振子、超声波探头和制冷机组均连接控制器并受其控制，待处理废水在所述冷冻模块和融化模块之间进行多级冷冻、融化。

本发明多级冷冻自动净水器，所述冷冻模块包括自上而下依次层叠布置的初级冷冻池、二级冷冻池、三级冷冻池、四级冷冻池，所述融化模块包括与初级冷冻池、二级冷冻池、三级冷冻池、四级冷冻池一一对应且连通的初级融化池、二级融化池、三级融化池、四级融化池。

本发明多级冷冻自动净水器，所述冷冻模块底部还设置有电机，初级冷冻池、二级冷冻池、三级冷冻池、四级冷冻池各自顶部均设置有一轴杆，所述电机的输出轴与四个轴杆的一端通过轴杆纽带连接，所述轴杆的该端还连接固设刮刀的冰刀纽带。

本发明多级冷冻自动净水器，所述轴杆纽带、冰刀纽带为链条或皮带，每个所述轴杆的一端均装设有一大一小的与所述链条或皮带适配的齿轮或带轮。

本发明多级冷冻自动净水器，所述初级融化池的顶部开口低于初级冷冻池的刮刀所在位置，初级融化池、二级融化池、三级融化池、四级融化池的底部各设有一个底板，位于上方的3个底板均左低右高形成斜面且左端靠近冷冻池的入水口处均设置有由控制器控制启闭的进水挡板。

本发明多级冷冻自动净水器，所述制冷机组包括相互连接的压缩机、蒸发器、冷凝器，冷风横管一端与蒸发器连接，另一端与冷风立管连接，所述冷风立管上开设有分别与初级冷冻池、二级冷冻池、三级冷冻池、四级冷冻池连通的冷气出风口，热风横管一端与冷凝器连接，另一端与热风立管连接，所述热风立管上开设有分别与初级融化池、二级融化池、三级融化池、四级融化池连通的热风出风口。

本发明多级冷冻自动净水器，所述初级融化池、二级融化池、三级融化池、四级融化池的底部靠近各自对应的冷冻池的一侧均设置有出水口，所述出水口由控制器控制启闭，排水管道自上而下依次连接四个出水口后伸出融化模块外并加设水龙头。

本发明多级冷冻自动净水器，各级冷冻池上均固定有一支座，所述轴杆远离轴杆纽带的一端转动连接在所述支座上。

本发明多级冷冻自动净水器，所述控制器为数字控制器且设置有显示屏及若干个功能按键。

本发明还提供了一种利用上述多级冷冻自动净水器的多级冷冻净水方法，包括如下步骤：

S1、接通电源，打开制冷机组开关，根据实际需要调节冷冻温度；

S2、将待处理废水注入初级冷冻池，达到指定水位，进水停止；

S3、冷气经制冷机组输送到初级冷冻池，废液开始结冰；

S4、当冰层出现，水体结冰膨胀，刮刀在电机的带动下刮冰并将刮下来的冰屑推入初级融化池内；

S5、打开控制器，设置出水要求，打开超声波振子，调节超声频率，启动超声波浴对初级融化池内的冰屑加热，控制器实时监测融水指标；

S6、当融水水质参数达到预设值时流出，做再生水循环利用；当融水水质参数超过预设值时，控制器开启进水挡板，冰水混合物流进二级冷冻池；

S7、在二级冷冻池、三级冷冻池、四级冷冻池与二级融化池、三级融化池、四级融化池之间参照步骤S3-S6对待处理废水进行多级冷冻、融化；

S8、当四级融化池内的融水不满足出水要求时，将该融水作为废液排出。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法，净水器包括冷冻模块、融化模块，待处理废水通过冷冻净化、融冰再冷冻净化的自上而下分级冷冻净化方式并冰体多次净化提纯，实时检测水质情况，直到融水水质达到预设值，不仅可以无差别处理各种废水(尤其是高盐度废水)，最大限度地实现对水的回收利用，还可满足多种用水要求。同时，超声波由物体的机械振动产生，既可以利用超声波的热效应融冰，又可以通过超声波的机械效应碎冰，根据超声波同时具有热效应和机械效应的特点，融化池采用超声波浴加热，获得更好的融化效果。为了加强超声融化的效率，在每个超声波振子上加设一个小型的超声波探头，探头直接作用于冰屑，有效减少超声波在多项介质中传递的能量损失，显著改善了超声波的融冰效果。

总之，本申请的净水器以及净水方法结构简单、操作简便、适用面广、占地小、能耗低，实现了对不同水质废水的无差别净化处理，尤其适用于难处理的高盐度废水、膜滤后浓水、对水质要求高的家庭用水以及条件受限的场所用水。

下面结合附图对本发明多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法中净水器的主视透视结构示意图；

图2为本发明多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法中净水器的俯视透视结构示意图；

图3为本发明多级冷冻自动净水器及利用其的多级冷冻净水方法中净水器的侧视透视结构示意图；

图4为图1中A处的局部放大图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明多级冷冻自动净水器，包括冷冻模块1和融化模块2，冷冻模块1包括自上而下依次层叠布置的若干个冷冻池，融化模块2包括与冷冻池一一对应设置的若干个融化池。本实施例中，冷冻模块1包括自上而下依次层叠布置的初级冷冻池11、二级冷冻池12、三级冷冻池13、四级冷冻池14，融化模块2包括初级融化池21、二级融化池22、三级融化池23、四级融化池24，初级融化池21与初级冷冻池11对应且连通，二级融化池22与二级冷冻池12对应且连通，三级融化池23与三级冷冻池13对应且连通，四级融化池24与四级冷冻池14对应且连通，初级冷冻池11顶部设置有主要进水口116，待处理废水由此进入初级冷冻池11内。每个融化池内均设置有若干个超声波振子214，为了保证振动均匀，本实施例中每级融化池有5排3列共15个超声波振子214且均布粘结在融化池的底板202上。实际应用时，融化池、冷冻池的数量可以按需遵照本申请发明构思适应性增减，此处不一一列举。

冷冻模块1中，四级冷冻池14的底部配置有与控制器212连接并受其控制的制冷机组15，制冷机组15将电能转换成冷能，为结冰提供冷气，同时做功产生的热能为冰屑融化提供热量。制冷机组15包括相互连接的压缩机151、蒸发器152、冷凝器153，具体的，冷风横管154一端与蒸发器152连接，另一端与冷风立管155连接，冷风立管155连接各级冷冻池且其上开设有分别与初级冷冻池11、二级冷冻池12、三级冷冻池13、四级冷冻池14连通的冷气出风口156，冷风横管154、冷风立管155为各级冷冻池和压缩机151提供热交换通道。热风横管157一端与冷凝器153连接，另一端与热风立管158连接，热风立管158上开设有分别与初级融化池21、二级融化池22、三级融化池23、四级融化池24连通的热风出风口159，热风横管157、热风立管158为各级融化池和压缩机151提供热交换通道。使用时，压缩机151压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器152中的低压力，冷凝器153中的高压力。蒸发器152中压力骤降，液态制冷剂立即变成气态，通过散热片吸收各级冷冻池内大量热量，从而达到制取冷量的目的，蒸发器152吸收的热量连同压缩机151消耗的功转化的热量在冷凝器153中被冷却介质带走，释放到各级融化池内。

四级冷冻池14的底部还配置有电机115，电机115的输出轴向后伸出且输出轴上装设有主动齿轮，初级冷冻池11、二级冷冻池12、三级冷冻池13、四级冷冻池14各自顶部均设置有一轴杆113，轴杆113沿冷冻模块1前后延伸且水平布置，每个轴杆113的后端均装设有一大一小两个齿轮，两个齿轮前后布置，自上而下的4个大齿轮与上述主动齿轮通过轴杆纽带114串联在一起，轴杆纽带114为与上述各大齿轮、主动齿轮适配的链条，小齿轮与冰刀纽带112连接，冰刀纽带112为与小齿轮适配的链条，冰刀纽带112沿周向间隔均布若干个弯刀状的刮刀111，相邻两个刮刀111一上一下朝向相反。在电机115驱动下，轴杆113转动，使得冰刀纽带112带着刮刀111移动，刮刀111设置为弯刀且朝向相反，以便在刮冰的同时水平推动冰屑向右移动进入融化池内。优选的，初级冷冻池11、二级冷冻池12、三级冷冻池13、四级冷冻池14上各固定有一个支座117，每个轴杆113远离轴杆纽带114的前端均转动连接在支座117上，支座117的设置为轴杆113提供了稳定支撑。

作为一种等效变形，上述主动齿轮、大齿轮、小齿轮也可替换为带轮，上述链条可替换为与带轮适配的皮带。

初级融化池21的顶部开口低于初级冷冻池11上的刮刀111所在位置，在刮下冰屑的过程中，刮刀111一直随冰刀纽带112移动，因而，刮下的冰屑会被刮刀111水平向右推动，进而从上述顶部开口落入初级融化池21内。初级融化池21、二级融化池22、三级融化池23、四级融化池24的底部各设有一个底板202，底板202将相邻融化池隔开。初级融化池21、二级融化池22、三级融化池23的底板202均左低右高形成斜面，以便融化后的冰水混合物能在重力作用下沿斜面滑下。四级融化池24的底板202水平布置。3个倾斜的底板202的左端均设置有一个进水挡板211，该进水挡板211位于其靠近的冷冻池的入水口处且由控制器212控制启闭。下面以初级融化池21为例，对其上的进水挡板211的使用方式进行说明，其余2处进水挡板211同理，不赘述。当初级融化池21内出水质量未达到设定要求时，控制器212控制进水挡板211打开，此时，初级融化池21底部与其靠近的二级冷冻池12的入水口连通，经过融化的冰水混合物在重力作用下沿底板202流下，经入水口由初级融化池21流到二级冷冻池12，再次被冷冻净化，二级冷冻池12内冷冻结冰到一定程度时，其上设置的刮刀111启动刮冰，刮下的冰屑从上述入水口被推出并落入二级融化池22内，再次被加热融化，以此类推，实现多级冷冻、融化处理，直至水质达到净化需求。

初级融化池21、二级融化池22、三级融化池23、四级融化池24的底板202上靠近各自对应的冷冻池的左侧均设置有出水口213，出水口213由控制器212控制启闭，排水管道25自上而下依次连接四个出水口213后伸出融化模块2外并加设水龙头26，当出水质量达到设定要求时，在控制器212的控制下，出水口213打开，相应融化池内的冰水混合物在重力作用下沿排水管道25流出。

控制器212带有显示屏2121及若干个功能按键，显示屏2121实时显示相关参数。功能按键包括数字按键2122(基本阿拉伯数字、小数点)、向上控制键2123、向下控制键2124、确认键2125。通过向上控制键2123、向下控制键2124在显示屏2121上选择需要设置的参数，通过数字按键2122输入数字并按确认键2125完成某一项参数设置，待所有参数设置完成，选择显示屏2121上的确定，完成设置。

上述控制器212为数字控制器，包括TDS值(英文：Total dissolved solids，溶解性固体总量)、pH值、超声波工作组，可以根据实际用水需要，自行设置参数。通过python往控制器212写入while循环，设定值可以根据要求自定义区间，通过数字按键2122输入，最大设置小数点前4位，最小设置小数点后两位，多功能检测仪实时检测融化池内的水质参数，达到预设值时，控制器212打开电磁控制开关，出水口213打开，冰融水进入排水管道25，水龙头26出水。控制器212可参照成熟常规技术联网，实现在线设置、控制。

超声波振子214上连接有超声波探头215，传递超声波。超声波探头215与控制器212连接并受其控制。不同频率的超声波对离子释放影响效果不同，工业上应用的超声频率范围一般从十几千赫兹到几十千赫茲，常见的如15kHz、20kHz、28kHz、35kHz、40kHz等。考虑到处理效果和能源消耗，本申请选用15kHz的超声波振子，超声波振子214连接圆柱形的铝合金超声波探头215，超声波探头215的顶部呈球型，可最大限度增加与冰屑的接触面积。每级融化池设置15个呈矩阵排列的超声波振子214，每一列超声波振子214单独工作，具体启动哪一列根据冰屑量通过控制器212进行选择。

本申请的实施例还包括一种利用多级冷冻自动净水器的多级冷冻净水方法，包括如下步骤：

S1、接通电源，打开制冷机组15开关，根据实际需要调节冷冻温度；

S2、将待处理废水从主要进水口116注入初级冷冻池11，达到指定水位，进水停止；

S3、冷气在制冷机组15的作用下，经冷风横管154、冷风立管155、冷风出风口156输送到初级冷冻池11，废液开始结冰；

S4、当冰层出现，水体结冰膨胀，刮刀111在电机115的带动下开始刮冰工作，并将刮下来的冰屑向右推，冰屑从初级融化池21的顶部开口落入初级融化池21内；

S5、打开控制器212，设置出水要求，打开超声波振子214，调节超声频率，设置好参数后，按下确认键2125，启动超声波浴对初级融化池21内的冰屑加热。压缩机151产生的热量经过热风横管157、热风立管158、热风出风口159为融化池提供热量，加快冰屑融化，初级融化池21内装设有水质检测探头，控制器212通过该水质检测探头实时监测融水指标；

S6、当融水水质参数达到预设值时，控制器212开启出水口213，融水经过排水管道25和水龙头26流出，做再生水循环利用；当融水水质参数超过预设值时，控制器212开启进水挡板211，冰水混合物在重力作用下流入二级冷冻池12；

S7、在二级冷冻池12、三级冷冻池13、四级冷冻池14与二级融化池22、三级融化池23、四级融化池24之间参照步骤S3-S6对待处理废水进行多级冷冻、融化；

S8、二级融化池22、三级融化池23、四级融化池24内均装设有水质检测探头，当四级融化池24内的融水不满足出水要求时，将该融水作为废液排出。

本发明对废水的处理包括以下2个方面：

1、冷冻池冷冻：在冷冻池内，压缩机151向各级冷冻池输送冷风，初次启动时，往初级冷冻池11注入一定量的水，初级冷冻池11结冰量达到一定比例时，刮刀111开始工作，冰屑经过分级一部分到达二级冷冻池12，以此类推，四级冷冻池同时工作，此过程中可以按流量往初级冷冻池11连续注水。

2、融化池融冰：由于刮刀111的运行，冰屑在水平推力作用下集中在融化池内，融化池的底板202倾斜且带有超声波振子214，在超声波的作用下，冰屑迅速融化，根据要求提前设置多功能水质分析仪目标参数，各级水质分析仪独立设置且均与控制器212连接，冰融水的水质通过水质检测探头检测并通过与水质检测探头连接的水质分析仪实时显示，水质达到预设值，控制器212打开自动双向阀门式的出水口213，通过排水管道25出水，对于未满足要求的冰水混合物，控制器212打开进水挡板211，冰水混合物在重力作用下沿斜面进入下一级冷冻池，进一步冻结净化。

本发明的净水器及其净水方法的作用原理如下：

离子通过“溶质洗脱”吸附在液滴中，液滴和冰体接触处形成一个液胞，超声波传递到液胞内，会在其内聚焦，聚焦后的超声波能够提高焦点处的温度，媒质质点传播超声波的过程中会吸收超声波的能量，使液滴自身温度提高，冰胞开始扩大，逐渐形成通道，随着通道的打开，浓水快速释放，减少截留时间。另一方面，冰屑在重力的作用下落入融化池收集，球形的超声波探头215增加了冰屑与探头的接触面积。超声波探头215利用摩擦、物理撞击等作用使冰屑温度升高，加快冰屑融化。而且，超声波探头215的震动还对冰屑产生一定的作用力，将夹杂在冰屑间的融水排挤出来。

本申请采用“互联网+多级冷冻”模式，冷冻模块1、融化模块2均连接控制器212并受其控制，净水器整体结构简单，可在线设置及操作，操作简单，维修方便，在控制器212控制下对待处理废水在冷冻模块1和融化模块2之间进行多级冷冻、融化，实现了水的多级净化处理，显著改善了水质，获得合格的净水。而且，相对传统的小型水处理工艺设备，本发明的净水器不需要定期更换耗材，具有普适性，还可满足矿井、潜水艇等材料有限、用水紧张的特殊场所的使用需求，应用范围广，便于大面积推广使用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多级冷冻自动净水器，其特征在于：包括冷冻模块（1）和融化模块（2），所述冷冻模块（1）包括自上而下依次层叠布置的若干个冷冻池，所述融化模块（2）包括与所述冷冻池一一对应且连通设置的若干个融化池，所述融化池内设置有超声波振子（214），所述超声波振子（214）上连接有超声波探头（215），所述冷冻模块（1）和融化模块（2）通过制冷机组（15）进行热交换，所述冷冻模块（1）、融化模块（2）、超声波振子（214）、超声波探头（215）和制冷机组（15）均连接控制器（212）并受其控制，待处理废水在所述冷冻模块（1）和融化模块（2）之间进行多级冷冻、融化；

所述冷冻模块（1）底部还设置有电机（115），各个冷冻池的顶部均设置有一轴杆（113），所述电机（115）的输出轴与各个轴杆（113）的一端通过轴杆纽带（114）连接，所述轴杆（113）的该端还连接固设刮刀（111）的冰刀纽带（112）；

所述轴杆纽带（114）、冰刀纽带（112）为链条或皮带，每个所述轴杆（113）的一端均装设有一大一小的与所述链条或皮带适配的齿轮或带轮；

位于最上层的融化池的顶部开口低于位于最上层的冷冻池的刮刀（111）所在位置；

各个融化池的底部均设有一个底板（202），位于上方的融化池的底板（202）均左低右高形成斜面且左端靠近下一级冷冻池的入水口处均设置有由控制器（212）控制启闭的进水挡板（211）。

2.根据权利要求1所述的多级冷冻自动净水器，其特征在于：所述冷冻模块（1）包括自上而下依次层叠布置的初级冷冻池（11）、二级冷冻池（12）、三级冷冻池（13）、四级冷冻池（14），所述融化模块（2）包括与初级冷冻池（11）、二级冷冻池（12）、三级冷冻池（13）、四级冷冻池（14）一一对应且连通的初级融化池（21）、二级融化池（22）、三级融化池（23）、四级融化池（24）。

3.根据权利要求2所述的多级冷冻自动净水器，其特征在于：所述制冷机组（15）包括相互连接的压缩机（151）、蒸发器（152）、冷凝器（153），冷风横管（154）一端与蒸发器（152）连接，另一端与冷风立管（155）连接，所述冷风立管（155）上开设有分别与初级冷冻池（11）、二级冷冻池（12）、三级冷冻池（13）、四级冷冻池（14）连通的冷气出风口（156），热风横管（157）一端与冷凝器（153）连接，另一端与热风立管（158）连接，所述热风立管（158）上开设有分别与初级融化池（21）、二级融化池（22）、三级融化池（23）、四级融化池（24）连通的热风出风口（159）。

4.根据权利要求3所述的多级冷冻自动净水器，其特征在于：所述初级融化池（21）、二级融化池（22）、三级融化池（23）、四级融化池（24）的底部靠近各自对应的冷冻池的一侧均设置有出水口（213），所述出水口（213）由控制器（212）控制启闭，排水管道（25）自上而下依次连接四个出水口（213）后伸出融化模块（2）外并加设水龙头（26）。

5.根据权利要求4所述的多级冷冻自动净水器，其特征在于：各级冷冻池上均固定有一支座（117），所述轴杆（113）远离轴杆纽带（114）的一端转动连接在所述支座（117）上。

6.根据权利要求5所述的多级冷冻自动净水器，其特征在于：所述控制器（212）为数字控制器且设置有显示屏（2121）及若干个功能按键。

7.利用权利要求2-6中任一项所述的多级冷冻自动净水器的多级冷冻净水方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、接通电源，打开制冷机组（15）开关，根据实际需要调节冷冻温度；

S2、将待处理废水注入初级冷冻池（11），达到指定水位，进水停止；

S3、冷气经制冷机组（15）输送到初级冷冻池（11），废液开始结冰；

S4、当冰层出现，水体结冰膨胀，刮刀（111）在电机（115）的带动下刮冰并将刮下来的冰屑推入初级融化池（21）内；

S5、打开控制器（212），设置出水要求，打开超声波振子（214），调节超声频率，启动超声波浴对初级融化池（21）内的冰屑加热，控制器（212）实时监测融水指标；

S6、当融水水质参数达到预设值时流出，做再生水循环利用；当融水水质参数超过预设值时，控制器（212）开启进水挡板（211），冰水混合物流进二级冷冻池（12）；

S7、在二级冷冻池（12）、三级冷冻池（13）、四级冷冻池（14）与二级融化池（22）、三级融化池（23）、四级融化池（24）之间参照步骤S3-S6对待处理废水进行多级冷冻、融化；

S8、当四级融化池（24）内的融水不满足出水要求时，将该融水作为废液排出。

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