EA023930B1 - Аппарат для очистки воды методом перекристаллизации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации и может быть использовано в быту, в пищевой промышленности и медицине. Техническим результатом является повышение качества очистки и увеличение объемов производства талой воды. Аппарат включает две термостатированных теплообменных емкости для очистки воды, выполненных из термопроводного материала, термостатированную накопительную емкость для очищенной воды, средство для подачи очищенной воды в тару потребителю, средство для слива неиспользованной очищенной воды, подключенные к термостатированной накопительной емкости, средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, соединенное трубопроводом с теплообменными емкостями, средство для слива очищенной воды и средство для слива жидкого концентрата органических и неорганических примесей, подключенные посредством трубопроводов к теплообменным емкостям, средство для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые расположены на наружной стороне термопроводных стенок теплообменных емкостей, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средством для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средством для слива очищенной воды и средством для слива жидкого концентрата примесей. Причем средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей соединено с термостатированной накопительной емкостью, а каждая теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней

Description

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине.

Очистка воды методом перекристаллизации состоит в ее замораживании при температуре несколько ниже 0°С (например, от -2 до -6°С) с образованием кристаллов льда, из которых на границе фронта кристаллизации большая часть примесей вытесняется в виде жидкого концентрата органических и неорганических примесей, который не замерзает при указанных температурах вследствие повышенного содержания солей. Жидкий концентрат примесей удаляют, а чистый слиток кристаллов льда плавят при положительной температуре с получением очищенной талой воды.

Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом (патент РФ №2312817, МПК С02Р 1/22, опубл. 20.12.2007). Водоочиститель имеет раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда, и дополнительно снабжен приводным устройством перемещения стержня замороженной воды, смонтированным за морозильной камерой, и разобщающим устройством, размещенным по центру стержня замороженной воды и выполненным в виде трубы. Разобщающее устройство имеет на входе кольцевую режущую часть, а на выходе расширяющийся профиль, образующий выходной патрубок для удаления примесей в виде рассола.

Однако данное устройство обеспечивает недостаточное качество очистки воды, сложно в конструктивном выполнении и не имеет оптимально подобранной геометрии теплообменной емкости.

Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды в промышленных масштабах из морской воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом, раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда (патент Франции №2858607, МПК С02Р 1/22, опубл. 11.02.2005).

Известна установка для очистки воды (патент РФ №2274607, МПК С02Р 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), 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, отличающаяся тем, что 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 и блоком управления в ручном или автоматическом режиме.

Наиболее близким аналогом (прототипом) устройства является аппарат для очистки воды (патент РФ №2393996, МПК С02Р 1/22, опубл. 10.07.2010 г.), включающий корпус, в котором размещены термостатированная рабочая емкость с крышкой и наклонным днищем с отверстием для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, потребительская емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы со средством для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию наклонного днища рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки которых установлены соответственно над потребительской емкостью для приема очищенной талой воды и емкостью для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Средства для замораживания воды и таяния льда выполнены в виде термоэлектрического модуля, содержащего несколько термоэлектрических элементов, расположенных снаружи на боковой стенке рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, средство для управления сливом воды в трубопроводах содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана, а указанные трубопроводы для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды, участки соединения которого с трубопроводами для слива воды расположены между клапанами средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Рабочая емкость выполнена прямоугольной формы, отношение ее высоты к длине и ширине составляет соответственно не менее 1,0 и не более 1,2.

Однако в выше приведенных аналогах и прототипе аппараты предназначены для приготовления чистой талой воды в небольших объемах (1-2 л), которую необходимо сразу употреблять после приготов- 1 023930 ления поскольку она теряет полезные свойства талой воды в течение нескольких часов. Кроме того, качество очищенной воды является недостаточным, а цикл очистки длителен около 7-8 и более часов (чем больше объем очищаемой воды, тем продолжительнее цикл очистки воды). Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества очистки и увеличение объемов производства талой воды, сокращение сроков ее приготовления и обеспечение возможности накопления очищенной талой воды и увеличение срока ее хранения за счет снабжения отдельной термостатированной емкостью с обеспечением температуры внутри ее полости 3-4°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для очистки воды методом перекристаллизации, включающем термостатированную теплообменную емкость для очистки воды, выполненную из термопроводного материала, средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, соединенное трубопроводом с теплообменной емкостью для очистки воды, средство для слива очищенной воды и средство для слива жидкого концентрата органических и неорганических примесей, подключенные посредством трубопроводов к теплообменной емкости, средство для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые расположены на наружной стороне термопроводной стенки теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средством для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средством для слива очищенной воды и средством для слива жидкого концентрата примесей, согласно изобретению, дополнительно имеется вторая такая же термостатированная теплообменная емкость, на наружной поверхности термопроводной стенки которой расположены термоэлементы охлаждения и нагрева средства для замораживания воды и плавления льда, термостатированная накопительная емкость для чистой воды, средство для подачи очищенной воды в тару потребителю и средство для слива неиспользованной очищенной воды, подключенные к термостатированной накопительной емкости; вторая теплообменная емкость соединена трубопроводами со средством для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, со средствами для слива очищенной воды и жидкого концентрата примесей, причем средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей соединено с термостатированной накопительной емкостью, а каждая теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости.

Средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода содержит датчики уровня воды, установленные в теплообменных емкостях и соединенные через электроклапаны с указанными теплообменными емкостями гидронасос и узел фильтрации. Средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей содержит датчик уровня воды в накопительной емкости и трубопроводы с установленными в них электроклапанами. Средство для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор, соединенный трубопроводом через электроклапан с термостатированной накопительной емкостью. Средство для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей содержит бак для сбора жидкого концентрата примесей с датчиками уровня жидкости, соединенный трубопроводами через электроклапаны с соответствующими теплообменными емкостями и через гидронасос и обратный электроклапан с канализацией. Средство для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном, соединенный с термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды и баком для сбора жидкого концентрата. Электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления, соединенный с электроклапанами и гидронасосом средства фильтрации и подачи исходной воды в теплообменные емкости, через первую плату управления - с дозатором очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату управления - со средствами для замораживания воды и плавления льда, датчиками уровня воды в теплообменных и накопительной емкостях и датчиком уровня жидкости в баке для жидких отходов, электроклапанами и гидронасосом средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей и электроклапанами средства для слива очищенной воды из теплообменных емкостей в термостатированную накопительную емкость и средства подачи очищенной воды в тару потребителю.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами. На фиг. 1 представлена схема двух теплообменных емкостей с размещенными на поверхности их стенок общих термоэлементов охлаждения и нагрева средства для замораживания воды и плавления льда. На фиг. 2 приведена схема одной теплообменной емкости с термоэлементами охлаждения и нагрева. На фиг. 3 приведена схема аппарата для очистки воды с двумя теплообменными емкостями.

Устройство для очистки воды методом перекристаллизации включает следующие элементы. Две термостатированные теплообменные емкости 1 и 2 для очистки воды расположены рядом, каждая из которых выполнена из термопроводного материала в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью 3, образованной между двумя противоположно расположенными стенками 4 и 5 указанной емкости. Термостатированные теплообменные емкости 1 и 2 соединены средством 6 для слива очищенной воды с термостатированной накопительной емкостью 7 для очищенной воды. Средство 6 для слива очищенной воды из теплообменных емкостей 1, 2 в накопительную емкость 7 содержит установленные в трубопроводах электроклапаны 8 и 9 и датчик 10 уровня воды в накопительной емкости 7.

- 2 023930

Средство 11 для фильтрации и подачи исходной воды на очистку содержит датчики 12 и 13 уровня воды в теплообменных емкостях 1 и 2, последовательно установленные первый электроклапан 14, гидронасос 15, узел фильтрации 16, второй и третий электроклапаны 17 и 18, соединенные трубопроводом 19 между собой, с теплообменными емкостями 1, 2 и с водопроводом 20 подачи исходной воды. Средство 21 для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения 22 и нагрева 23, которые контактируют с наружной стороны с термопроводной стенкой 4 теплообменных емкостей 1 и 2. Средство 24 для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор 25, соединенный трубопроводом через электроклапан 26 с термостатированной накопительной емкостью 7. Средство 27 для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей 1 и 2 содержит бак 28 для сбора жидкого концентрата примесей с датчиком 29 уровня жидкости, соединенный трубопроводами через электроклапаны 30 и 31 с теплообменными емкостями 1 и 2 и через гидронасос 32 и обратный электроклапан 33 с канализацией 34. Средство 35 для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном 36, соединенный с термостатированной накопительной емкостью 7 для очищенной воды и баком 28 для сбора жидких отходов. Электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления 37 и соединенные с ним первый и второй платы 38, 39 управления. МП управления 37 соединен с электроклапанами 14, 17, 18 и гидронасосом 15 средства 11 фильтрации и подачи исходной воды в теплообменные емкости 1, 2, а через первую плату 38 управления - с дозатором 25 подачи очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату 39 управления - со средством 21 для замораживания воды и плавления льда, датчиками 12, 13 и 10 уровня воды в теплообменных и накопительной емкостях 1, 2, 7 соответственно и датчиком 29 уровня жидкости в баке 28 для сбора жидкого концентрата примесей, электроклапанами 30, 31, 33 и гидронасосом 32 средства 27 для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей 1, 2 и электроклапанами 8, 9, 26, 36 средства 6 для слива очищенной воды из теплообменных емкостей 1, 2 в накопительную емкость 7, средства 24 подачи очищенной воды в тару потребителю и средства 35 для слива неиспользованной очищенной воды.

Описание работы аппарата для очистки воды методом перекристаллизации

Микропроцессорный пульт 37 и платы 38 и 39 управления в электронном блоке осуществляют следующий алгоритм работы по очистке воды (фиг. 3).

1. МП управления 37 открывает электроклапаны 14, 17 и 18, запускает гидронасос 15. Вода из водопровода фильтруется в узле 16 от механических примесей, обрабатывается ультрафиолетом и заполняет теплообменные емкости 1 и 2 на 3/4 их объема. Процесс заполнения емкостей 1 и 2 контролируется датчиками 12 и 13 уровня воды соответственно.

2. Электроклапаны 17 и 18 закрываются.

3. Плата 39 управления включает термоэлементы 22 охлаждения, расположенные на стенках 4 емкостей 1 и 2 (фиг. 1 и 2) в режим охлаждения очищаемой воды в указанных емкостях и датчики измерения температуры, расположенные на стенке или днище емкостей 1 и 2 (на чертежах не показаны).

4. В емкостях 1 и 2 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации 0°С с формированием плоского фронта кристаллизации, далее процесс кристаллизации - образование чистого льда без примесей и охлаждение полученного льда до -4-5°С. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенки 4 к противоположной стенке 5 емкостей 1 и 2. У стенки 5 в каждой емкости 1 и 2 образуется жидкий концентрат растворенных в воде примесей (соли металлов, органические загрязнения и т.д.), тем самым происходит образование рассола - вода с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного рассола составляет -6-7°С. Толщина слоя чистого льда на стенках 4 указанных емкостей составляет 2,5-3 см.

5. Плата 39 управления отключает термоэлементы охлаждения 22 и открывает электроклапаны 30 и 31. Происходит слив концентрата жидких примесей (рассола) из емкостей 1 и 2 по трубопроводам в бак 28 в течение нескольких минут. Электроклапаны 30 и 31 отключаются.

6. Плата 39 управления включает термоэлементы 23 на стенке 4 емкостей 1 и 2 в режим нагрева. Происходит повышение температуры чистого льда в емкостях 1 и 2 до температуры 0°С, при которой наступает плавление льда и получение очищенной талой воды. Температура стенки 4 емкостей 1 и 2 достигает 6-15°С, вследствие чего лед полностью превращается в талую воду в течение 0,5-1 ч.

7. После таяния льда в емкостях 1 и 2 плата 39 управления открывает электроклапаны 8, 9 и чистая талая вода сливается из теплообменных емкостей 1 и 2 в термостатированную накопительную емкость 7.

Сокращение времени очистки воды обеспечивается за счет того, что в щелевой полости теплообменной емкости вода кристаллизуется в виде слоя льда небольшой толщины на одной из боковых стенок емкости в течение непродолжительного времени за счет интенсивного теплообмена между охлаждаемой поверхностью стенки емкости через тонкий слой льда с водой, а существенный объем этого чистого льда образуется за счет развитой (большой) площади боковой поверхности емкости, имеющей внутренний объем в виде плоской или кольцевой щели. Известно, что при одном и том же объеме наименьшую площадь поверхности будет иметь емкость в виде шара. Площадь поверхности кубической емкости того же объема увеличивается приблизительно в 1,24 раза. Площадь поверхности заявляемой теплообменной емкости того же объема с плоским щелевым внутренним объемом может быть увеличена от 2 до 10 раз. В связи с этим поглощение тепла в охлаждаемой воде может быть увеличена в несколько раз, вследствие

- 3 023930 чего сокращается время замораживания и очистки воды.

Удельный тепловой поток равен, вт/м²:

д=кДТ/ Ь, где с| - удельный тепловой поток; к - коэффициент теплопроводности льда,Вт/(м-К);

ΔΤ - перепад температур при прохождении через слой льда, К;

Ь - толщина слоя льда, м.

Из выше приведенной формулы видно, что чем меньше толщина (Ь) слоя льда, тем больший удельный тепловой поток передается охлаждаемой воде и тем быстрее вода кристаллизуется, вследствие чего сокращается время очистки воды.

Повышение качества очистки воды достигается за счет пристеночной кристаллизации очищаемой воды. Наиболее чистый лед кристаллизуется тонким слоем на охлажденной стенке емкости с водой. С увеличением толщины слоя льда процесс льдообразования замедляется, а чистота его и физикохимические характеристики снижаются (уменьшается рН и увеличивается окислительновосстановительный потенциал - ОВП).

Термостатированная накопительная емкость позволяет более длительное время сохранять полезные биохимические свойства талой воды (высокий рН и низкий ОВП).

Claims (2)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Аппарат для очистки воды методом перекристаллизации, включающий термостатированную теплообменную емкость для очистки воды, выполненную из термопроводного материала, средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, соединенное трубопроводом с теплообменной емкостью для очистки воды, средство для слива очищенной воды и средство для слива жидкого концентрата органических и неорганических примесей, подключенные посредством трубопроводов к теплообменной емкости, средство для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые расположены на наружной стороне термопроводной стенки теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средством для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средством для слива очищенной воды и средством для слива жидкого концентрата примесей, отличающийся тем, что он снабжен второй такой же термостатированной теплообменной емкостью, на наружной поверхности термопроводной стенки которой расположены термоэлементы охлаждения и нагрева средства для замораживания воды и плавления льда, термостатированной накопительной емкостью для чистой воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды, подключенными к термостатированной накопительной емкости; вторая теплообменная емкость соединена трубопроводами со средством для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, со средствами для слива очищенной воды и жидкого концентрата примесей, причем средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей соединено с термостатированной накопительной емкостью, а каждая теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости.
2. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода содержит датчики уровня воды, установленные в теплообменных емкостях и соединенные через электроклапаны с указанными теплообменными емкостями гидронасос и узел фильтрации, средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей содержит датчик уровня воды в накопительной емкости и трубопроводы с установленными в них электроклапанами, средство для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор, соединенный трубопроводом через электроклапан с термостатированной накопительной емкостью, средство для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей содержит бак для сбора жидкого концентрата примесей с датчиками уровня жидкости, соединенный трубопроводами через электроклапаны с соответствующими теплообменными емкостями и через гидронасос и обратный электроклапан с канализацией и средство для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном, соединенный с термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды и баком для сбора жидкого концентрата, а электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления, соединенный с электроклапанами и гидронасосом средства фильтрации и подачи исходной воды в теплообменные емкости, через первую плату управления - с дозатором очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату управления - со средствами для замораживания воды и плавления льда, датчиками уровня воды в теплообменных и накопительной емкостях и датчиком уровня жидкости в баке для жидких отходов, электроклапанами и гидронасосом средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей и электроклапанами средства для слива очищенной воды из теплообменных емкостей в термостатированную накопительную емкость и средства подачи очищенной воды в тару потребителю.