EA017783B1 - Аппарат для очистки воды - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для очистки воды в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических примесей, солей, канцерогенных и мутагенных веществ и газов путем фазового разделения исходной воды с примесями методом кристаллизации вымораживанием в замкнутом объеме на чистую воду и воду с примесями и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине. Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение времени и повышение качества очистки воды. Аппарат для очистки воды включает рабочую емкость, средства для замораживания воды и плавления льда, расположенные вокруг рабочей емкости, термостатированный кожух, установленный вокруг рабочей емкости со средствами для замораживания и плавления льда, узел для слива очищенной и загрязненной воды и механизм для перемешивания воды в рабочей емкости в процессе ее замораживания, расположенные снаружи или внутри рабочей емкости. В одном из вариантов выполнения механизм для перемешивания воды в рабочей емкости содержит помпу, расположенную снаружи рабочей емкости, всасывающий и нагнетающий патрубки которой или один из указанных патрубков подсоединены к рабочей емкости тангенциально. В другом варианте выполнения механизм для перемешивания воды в рабочей емкости содержит мешалку, расположенную в емкости и снабженную приводом ее вращения, установленным снаружи емкости.

Description

Изобретение относится к устройствам для очистки воды в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических примесей, солей, канцерогенных и мутагенных веществ и газов путем фазового разделения исходной воды с примесями методом кристаллизации вымораживанием в замкнутом объеме на чистую воду и воду с примесями и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине.

Известна установка для очистки воды, содержащая емкость для неочищенной воды, установленный в емкости теплообменник для отвода тепла и намораживания льда, средства для нагрева и оттаивания льда, морозильный агрегат с системой его охлаждения, трубопровод с вентилем для слива воды с примесями, трубопровод с вентилем для слива талой воды (патент РФ № 2274607, МПК С02Р 1/22, опубл. 20.04.2006). Теплообменник выполнен по форме многоступенчатого змеевика, расположенного в верхней части емкости по высоте примерно 1/3-2/3 высоты емкости на расстоянии 2-5 см относительно верхнего основания емкости и симметрично относительно ее боковой поверхности с зазором, обеспечивающим возможность объемного намораживания льда в воде вокруг змеевика до размера, не перекрывающего при кристаллизации льдом этот зазор. Емкость снабжена термоизоляционной крышкой и уплотнением, трубопровод для слива воды с примесями установлен в самом сечении конического дна емкости, трубопровод для слива талой воды установлен внизу выше конического дна емкости на 0,5-2 см. Установка снабжена фильтром тонкой очистки с водоотводящей трубкой с вентилем и насосом для циркуляции и перекачки талой воды под давлением через фильтр тонкой очистки.

Известно другое устройство для получения методом пристеночной кристаллизации питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных солей и улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом (патент на полезную модель № 51612, МПК С02Р 1/22, опубл. 27.02.2006), состоящее из вертикально расположенного цилиндрического металлического герметичного бака для воды, с внешних боковых сторон которого без контакта с баком установлены змеевик холодильного агрегата и блоки нагревательной установки, закрытые снаружи как теплозащитной, так и внешней оболочками, бак в верхней части снабжен входной трубой для воды, выходящей из блока механической очистки воды, а в нижней части бака установлена съемная герметичная крышка с вмонтированной в нее выходной трубой с вентилем и переключателем потока воды.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является аппарат для очистки воды (патент на полезную модель № 99477, МПК С02Р 1/22, опубл. 20.11.2010), включающий рабочую емкость, средства для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами и узел для слива очищенной и загрязненной воды. Боковая стенка рабочей емкости выполнена монолитной или с кольцевой полостью внутри, заполненной или имеющей возможность ее заполнения жидкостью с температурой замерзания ниже температуры замораживания воды, и имеет теплопроводность не ниже теплопроводности очищаемой воды, а термоэлементы средств для замораживания воды и плавления льда расположены на наружной поверхности боковой стенки рабочей емкости, или внутри ее тела, или внутри ее кольцевой полости. Боковая стенка рабочей емкости, выполненная монолитной или с полостью, заполненной жидкостью, имеет массу не менее 1/2 массы обрабатываемой воды. Жидкость в кольцевой полости боковой стенки рабочей емкости имеет температуру замерзания не выше -10°С. Аппарат имеет термостатированный кожух, расположенный вокруг рабочей емкости и снабжен электронным блоком управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом воды, соединенным с электромагнитными клапанами узла для слива очищенной и загрязненной воды и переключателями средств для замораживания воды и плавления льда.

Основными недостатками приведенных выше аналогов и аппарата-прототипа является длительное время очистки воды вследствие того, что в период формирования слоя льда от стенок емкости к ее центру охлаждение воды осуществляется в статическом состоянии (без принудительного перемешивания), при котором недостаточен ее тепломассообмен, что увеличивает время получения слоя чистого льда и, таким образом, общее время очистки воды. При этом качество очистки воды от примесей ухудшается по мере увеличения толщины слоя льда, который становится матовым (непрозрачным) вследствие прикрепления к поверхности льда пузырьков газа с сорбированными на них органическими и неорганическими примесями, а также вследствие увеличения концентрации растворенных в воде примесей, отвод которых от границы раздела фаз осуществляется за счет диффузии. Ограничение скорости замораживания льда с достаточной степенью очистки связано с тем, что при увеличении отводимой удельной мощности (а соответственно скорости фронта кристаллизации) увеличивается количество вымораживаемых из воды примесей в единицу времени. Вследствие чего увеличивается концентрация растворенных примесей на фронте кристаллизации (границе раздела фаз). Что приводит к увеличению диффузионного потока растворенных примесей (в том числе газообразных) от фронта кристаллизации к внутренним слоям воды. В результате устанавливается новое равновесное состояние с более высокой концентрацией растворенных примесей на фронте кристаллизации. При последующем увеличении скорости замораживания (а также при увеличении доли замороженной воды) концентрация примесей на фронте достигнет порогового значения, при котором примеси будут обратно вмораживаться в лед, тем самым ухудшая его качество очистки. Также к недостаткам приведенных аналогов можно отнести образование шуги в начале этапа заморозки воды. Образование шуги в этих аппаратах вызвано тем, что условия охлаждения воды (недостаточная удельная мощность теплоотвода, вследствие чего температура близка к однородной по всему

- 1 017783 объему воды в силу ее теплопроводности) позволяют достичь отрицательной температуры жидкой фазы (переохлажденное состояние воды). При образовании шуги температура системы скачкообразно поднимается до 0°С, при этом кристаллики льда (шуга) образуются по всему объему переохлажденной воды, далее процесс намораживания льда идет при температуре 0°С. Величина переохлаждения воды в этих аппаратах достигает 0,5-1,0 К. Появление шуги отрицательно влияет на качество очистки льда в силу того, что шуга формирует полости, стенки которых препятствуют удалению примесей из замерзающей воды, находящейся в этих полостях.

Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение времени и повышение качества очистки воды путем обеспечения перемещения очищаемой воды (например, за счет вращательного движения) относительно поверхности намораживаемого льда на стенках емкости, вследствие чего с поверхности льда удаляются потоком воды пузырьки воздуха с сорбированными на них загрязнениями, а также увеличивается интенсивность теплообмена и отвода растворенных в воде примесей с границы раздела фаз.

Указанный технический результат достигается тем, что аппарат для очистки воды, включающий рабочую емкость, средства для замораживания воды и плавления льда, расположенные вокруг рабочей емкости, термостатированный кожух, установленный вокруг рабочей емкости со средствами для замораживания и плавления льда, и узел для слива очищенной и загрязненной воды, согласно изобретению, снабжен механизмом для перемешивания воды в рабочей емкости в процессе ее замораживания, расположенным снаружи или внутри рабочей емкости.

В одном из вариантов выполнения механизм для перемешивания воды в рабочей емкости содержит помпу, расположенную снаружи рабочей емкости, всасывающий и нагнетающий патрубки которой или один из указанных патрубков подсоединены к рабочей емкости тангенциально.

В другом варианте выполнения механизм для перемешивания воды в рабочей емкости содержит мешалку, расположенную в емкости и снабженную приводом ее вращения, установленным снаружи емкости.

Снижение концентрации растворенных примесей и газов на фронте кристаллизации (границе раздела фаз) обеспечивается путем ее уравнивания по всему объему воды за счет перемешивания, позволяет использовать более производительные средства замораживания без потери качества очистки воды. Дополнительно использование более производительных средств замораживания таких, которые обеспечивают перепад температуры воды (между водой рядом со стенкой емкости и водой в центре емкости) при ее охлаждении не менее 5 К (для данного аппарата), исключает образование шуги (включение помпы в работу происходит после образования начального льда, т.к. иначе создаются условия образования шуги в силу уменьшения перепада температуры воды за счет перемешивания).

На чертежах приведены следующие графические материалы.

На фиг. 1 изображена основная схема аппарата для очистки воды.

На фиг. 2 приведен второй вариант подсоединения всасывающего и напорного патрубков механизма перемешивания воды в емкости.

На фиг. 3 - то же, третий вариант.

На фиг. 4 - то же, четвертый вариант.

На фиг. 5 и 6 - то же, пятый вариант.

На фиг. 7 приведен второй вариант выполнения механизма перемешивания воды в емкости в виде магнитной мешалки.

Аппарат для очистки воды включает термостатированный кожух 1, рабочую емкость 2, расположенную в термостатированном кожухе 1, средство для замораживания воды с испарителем 3, выполненным в виде змеевика из медной трубки, средство для плавления льда с нагревателем 4, выполненным в виде нагревательного элемента, и узел 5 для слива очищенной и загрязненной воды. Испаритель 3 и нагреватель 4 расположены снаружи вокруг боковой стенки 6 емкости 2. Термостатированный кожух 1 установлен вокруг рабочей емкости 2 с испарителем 3 и нагревателем 4.

Аппарат снабжен электронным блоком 7 управления замораживанием воды, плавлением льда, сливом воды и перемешиванием воды в емкости 2, соединенным с электрическими клапанами 8 и 9 узла 5 для слива очищенной и загрязненной воды соответственно, и управляет средствами замораживания воды и плавления льда согласно алгоритму программы.

Узел 5 снабжен емкостью 10 для слива очищенной воды и емкостью 11 для слива загрязненной воды. Трубка испарителя 3 с фреоном средства для замораживания воды гидравлически соединена с капилляром 12, фильтр-осушителем 13, конденсатором 14, компрессором 15 и аккумулятором 16 жидкого хладагента. Электронный блок управления 7 снабжен датчиками 17 (для косвенного определения температуры воды) и 18 (для контроля холодопроизводительности) температуры, установленными соответственно снаружи днища емкости 2 и ее стенки 6.

Электронный блок 7 управления предназначен для реализации алгоритма программы приготовления талой воды, имеет интерфейс для диалога с потребителем и осуществляет управление компрессором 15 и нагревателем 4 по таймеру, с учетом температур по датчикам 17 и 18.

- 2 017783

Аккумулятор 16 жидкого хладоносителя на стороне всасывания предназначен для хранения излишней части хладона и защиты компрессора от гидроудара при снижении холодопроизводительности на испарителе в процессе цикла работы холодильного контура.

Кроме того, аппарат снабжен механизмом для перемешивания воды в рабочей емкости 2 в процессе ее замораживания, расположенным снаружи или внутри рабочей емкости 2.

В основном варианте выполнения механизм для перемещения воды в рабочей емкости 2 содержит помпу 19, подсоединенную к электронному блоку 7 управления и расположенную снаружи рабочей емкости 2, всасывающий патрубок 20 которой подсоединен к осевому сливному отверстию 21 емкости 2 (фиг. 1). Нагнетающий патрубок 22 помпы 19 подсоединен к рабочей емкости 2 тангенциально.

Во втором варианте (фиг. 2) всасывающий патрубок 23 и нагнетающий патрубок 24 подсоединены тангенциально по обеим сторонам боковой стенки 6 емкости 2, а слив чистой воды производят через осевое сливное отверстие 21 емкости 2.

В третьем варианте (фиг. 3) всасывающий патрубок 23 и нагнетающий патрубок 24 подсоединены тангенциально к днищу емкости 2 по обеим ее сторонам, а слив чистой воды производят через осевое сливное отверстие 21.

В четвертом варианте (фиг. 4) всасывающий патрубок 23 подсоединен тангенциально к боковой стенке 6 емкости 2, а нагнетающий патрубок 24 - тангенциально к её днищу. Слив чистой воды производят через осевое сливное отверстие 21.

В пятом варианте (фиг. 5 и 6) всасывающий патрубок 23 и нагнетающий патрубок 24 подсоединены тангенциально с одной стороны боковой стенки 6 емкости 2 на различной высоте, а слив чистой воды производят через осевое сливное отверстие 21 емкости 2.

В другом варианте выполнения механизм для перемешивания воды в рабочей емкости 2 (фиг. 7) содержит мешалку 25, расположенную в емкости 2 с патрубком слива 26 на оси 27 и снабженную, например, магнитным приводом 28 ее вращения, установленным снаружи емкости 2. Кроме того, организация движения воды в рабочей емкости 2 может быть осуществлена комбинацией вышеприведенных средств перемешивания с одним или несколькими нагнетательным и всасывающим патрубками, а также с одновременным применением мешалки.

Аппарат для очистки воды работает следующим образом. Рабочую емкость 2 наполняют водой, предварительно отфильтрованной от механических примесей, и включают блок 7 управления. Автоматически блок 7 управления включает компрессор 15. Происходит постепенное охлаждение воды посредством испарителя 3 в ёмкости 2 через боковую стенку 6 (из нержавеющей стали) с последующей её заморозкой. После формирования тонкого слоя льда на внутренней поверхности емкости 2 блок 7 управления включает помпу 19 (фиг. 1) или привод 28 мешалки 25 (фиг. 7), и вода в емкости 2 начинает перемещаться относительно поверхности намораживаемого льда и перемешиваться в объеме, что способствует более быстрому ее охлаждению и увеличению толщины чистого и прозрачного слоя льда. При движении воды с поверхности намораживаемого слоя льда удаляются пузырьки воздуха и сорбированные на них частицы примесей. Процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда длится около 2,0-2,5 ч и контролируется датчиками 17 и 18 температуры, данные с которых поступают на электронный блок 7 управления. В результате такого искусственно созданного процесса на внутренней стенке 6 емкости 2 формируется постепенно нарастающий и упорядоченный слой (кольцо) пристеночного и свободного от солей и других примесей (чистого и прозрачного) льда. Примеси, содержавшиеся в воде, выталкиваются нарастающим слоем кристаллов от стенки емкости 2 в его центральную часть, где в воде начинается увеличение концентрации солей (накапливается рассол).

После окончания заморозки воды блок 7 управления включает электрический клапан 9 и незамёрзшая загрязненная вода, т.е. вода с высоким содержанием солей (рассола), сливается в ёмкость 11. Далее блок 7 управления отключает средство для замораживания воды с испарителем 3 и включает средство для плавления льда с нагревателем 4. При этом происходит плавление чистого льда. После полного таяния льда, которое осуществляется за 2,5-3,0 ч, блок 7 управления включает электрический клапан 8 и чистая вода сливается в ёмкость 10. Полный цикл получения талой воды равен 4,5-5,5 ч.

Технические характеристики аппарата

1. Объем заливаемой воды 1,5-2,0 л.

2. Объем получаемой талой воды 1,0-1,3 л.

3. Время замораживания воды 2,0-2,5 ч.

4. Время таяния льда 2,5-3,0 ч.

5. Максимальное электропотребление 150 Вт.

6. Среднее электропотребление при приготовлении 1 л талой воды 120 Вт.

7. Габариты установки не более 430x380x260 мм.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое изобретение обеспечивает сокращение времени очистки воды не менее чем на 25-30%. Кроме того, по сравнению с прототипом значительно снижается содержание органических и неорганических примесей.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Аппарат для очистки воды, включающий рабочую емкость, средства для замораживания воды и плавления льда, расположенные вокруг рабочей емкости, термостатированный кожух, установленный вокруг рабочей емкости со средствами для замораживания и плавления льда, и узел для слива очищенной и загрязненной воды, отличающийся тем, что он снабжен механизмом для перемешивания воды в рабочей емкости в процессе ее замораживания, содержащим помпу, расположенную снаружи рабочей емкости, всасывающий и нагнетающий патрубки которой или один из указанных патрубков подсоединены к рабочей емкости тангенциально.