EA023946B1 - Устройство для очистки воды методом перекристаллизации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине. Техническим результатом является повышение качества очистки и увеличение объемов производства талой воды. Устройство включает термостатированную теплообменную емкость для очистки воды, выполненную 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 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, средства для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые контактирует с наружной стороны с термопроводной стенкой теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средствами для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средства для слива очищенной воды и средства для слива жидкого концентрата примесей. Причем средство для слива очищенной воды из теплообменной емкости соединено с термостатированной накопительной емкостью, а 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 использовано в быту, пищевой промышленности и медицине.

Очистка воды методом перекристаллизации состоит в ее замораживании при температуре несколько ниже нуля градусов Цельсия (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, МПКС02Р1/22, 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, соотношение 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 приготовления поскольку она теряет полезные свойства талой воды в течение нескольких часов. Кроме того, ка- 1 023946 чество очищенной воды является недостаточной, 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 плюс 3-4°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве 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, средства для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые контактирует с наружной стороны с термопроводной стенкой теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средствами для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средства для слива очищенной воды и средства для слива жидкого концентрата примесей, согласно изобретения, оно снабжено термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды, подключенные к термостатированной накопительной емкости, причем средство для слива очищенной воды из теплообменной емкости соединено с термостатированной накопительной емкостью, а 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 содержит датчик уровня воды в теплообменной емкости и соединенные трубопроводом с указанной теплообменной емкостью через электроклапаны гидронасос и узел фильтрации. Средство для слива очищенной воды из теплообменной емкости в термостатированную накопительную емкость для очищенной воды содержит установленный в трубопроводе электроклапан и датчик уровня воды в накопительной емкости. 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 теплообменной емкости содержит бак для сбора жидкого концентрата примесей с датчиком уровня жидкости, соединенный трубопроводом через электроклапан с теплообменной емкостью 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 жидких отходов. Электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления, соединенный с электроклапанами и гидронасосом средства фильтрации и подачи исходной воды в теплообменную емкость, а через первую плату управления с дозатором чистой воды в тару потребителю и через вторую плату управления со средствами для замораживания воды и плавления льда, датчиками уровня воды в теплообменной и накопительной емкостях и датчиком уровня жидкости в баке для сбора жидкого концентрата примесей, электроклапанами и гидронасосом средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменной емкости и электроклапанами средства для слива очищенной воды из теплообменной емкости в термостатированную накопительную емкость для очищенной воды и средства подачи очищенной воды в тару потребителю.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами. На фиг. 1 и 2 приведена схема теплообменной емкости с термоэлементами охлаждения и нагрева, вид спереди и сбоку соответственно, а на фиг. 3 - то же, общий вид. На фиг. 4 приведена схема устройства для очистки воды методом перекристаллизации.

Устройство для очистки воды методом перекристаллизации включает следующие элементы. Термостатированная теплообменная емкость 1 для очистки воды выполнена из термопроводного материала в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью 2, образованной между двумя противоположно расположенными стенками 3 и 4 указанной емкости. Термостатированная теплообменная емкость 1 соединена средством 5 для слива очищенной воды с термостатированной накопительной емкостью 6 для очищенной воды. Средство 5 для слива очищенной воды из теплообменной емкости 1 в накопительную емкость 6 содержит установленный в трубопроводе электроклапан 7 и датчик 8 уровня воды в накопительной емкости 6. Средство 9 для фильтрации и подачи исходной воды на очистку содержит датчик 10 уровня воды в теплообменной емкости 1, последовательно установленные первый электроклапан 11, гидронасос 12, узел фильтрации 13 и второй электроклапан 14, соединенные трубопроводом 15 между собой, с теплообменной емкостью 1 и с водопроводом 16 подачи исходной воды. Средство 17 для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения 18 и нагрева 19, которые контактируют с наружной стороны с термопроводной стенкой 3 теплообменной емкости 1.

Средство 20 для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор 21, соединенный трубопроводом через электроклапан 22 с термостатированной накопительной емкостью 6. Средство 23

- 2 023946 для слива жидкого концентрата примесей из теплообменной емкости 1 содержит бак 24 для сбора жидкого концентрата примесей с датчиком 25 уровня жидкости, соединенный трубопроводом через электроклапан 26 с теплообменной емкостью 1 и через гидронасос 27 и обратный электроклапан 28 с канализацией 29. Средство 30 для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном 31, соединенный с термостатированной накопительной емкостью 6 для очищенной воды и баком 24 для сбора жидких отходов. Электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления 32 и соединенные с ней первый и второй платы 33, 34 управления. МП управления 32 соединен с электроклапанами 11, 14 и гидронасосом 12 средства 9 фильтрации и подачи исходной воды в теплообменную емкость 1, а через первую плату 33 управления с дозатором 21 подачи очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату 34 управления со средством 17 для замораживания воды и плавления льда, датчиками 8, 10 уровня воды в теплообменной и накопительной емкостях 1, 6 и датчиком 25 уровня жидкости в баке 24 для сбора жидкого концентрата примесей, электроклапанами 26, 28 и гидронасосом 27 средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменной емкости 1 и электроклапанами 7, 22, 31 средства 5 для слива очищенной воды из теплообменной емкости 1 в накопительную емкость 6, средства 20 подачи очищенной воды в тару потребителю и средства 30 для слива неиспользованной очищенной воды.

Устройство для очистки воды методом перекристаллизации работает следующим образом.

Устройство включают в электрическую сеть. На МП управления 32 включают кнопку Сеть после чего загорается индикация сети. Нажимают кнопку Начать процесс.

Микропроцессорный пульт 32 и платы 33 и 34 управления в электронном блоке осуществляют следующий алгоритм работы по очистке воды (фиг. 4).

1. МП управления 32 открывает электроклапаны 11 и 14, запускает гидронасос 12. Вода из водопровода фильтруется в узле 13 от механических примесей, обрабатывается ультрафиолетом и заполняет теплообменную емкость 1 на 3/4 ее объема. Процесс заполнения емкости 1 контролируется датчиком 10 уровня воды.

2. Электроклапан 14 закрывается.

3. Плата 34 управления включает термоэлементы 18 охлаждения, расположенные на стенке 3 теплообменной емкости 1 (фиг. 3) в режим охлаждения очищаемой воды и датчик измерения температуры, расположенном на стенке или днище емкости 1 (на чертежах не показан).

4. В емкости 1 вода охлаждается до температуры кристаллизации 0°С с формированием плоского фронта кристаллизации, далее процесс кристаллизации - образование чистого льда без примесей и охлаждение полученного льда до минус 4-5°С. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенки 3 к стенке 4 (фиг. 3) емкости 1, у которой 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 стенке 3 указанной емкости составляет 2,5-3 см.

5. Плата 34 управления отключает термоэлементы охлаждения 18 и открывает электроклапан 26. Происходит слив концентрата жидких примесей (рассола) из емкости 1 по трубопроводу в бак 24 в течение нескольких минут. Электроклапан 26 отключается.

6. Плата 34 управления включает термоэлементы 19 на стенке 3 емкости 1 в режим нагрева. Происходит повышение температуры чистого льда в емкости 1 до температуры 0°С, при которой наступает плавление льда и получение очищенной талой воды. Температура стенки 3 достигает +6-15°С, вследствие чего лед полностью превращается в талую воду в течение 0,5-1 ч.

7. После таяния льда в емкости 1 плата 34 управления открывает электроклапан 7 и чистая талая вода сливается из теплообменной емкости 1 в термостатированную накопительную емкость 6.

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 этой связи поглощение тепла в охлаждаемой воде может быть увеличена в несколько, раз вследствие чего сокращается время замораживания и очистки воды.

Удельный тепловой поток равен: с.|=к ΔΤ/Ь, вт/м², 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 удель- 3 023946 ный 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 окислительно-восстановительный потенциал - ОВП).

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

Claims (2)

1. Устройство для очистки воды методом перекристаллизации, включающее 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, средства для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые контактируют с наружной стороны с термопроводной стенкой теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средствами для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средства для слива очищенной воды и средства для слива жидкого концентрата примесей, отличающееся тем, что оно снабжено термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды, подключенные к термостатированной накопительной емкости, причем средство для слива очищенной воды из теплообменной емкости соединено с термостатированной накопительной емкостью, а теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку содержит датчик уровня воды в теплообменной емкости и соединенные трубопроводом с указанной теплообменной емкостью через электроклапаны гидронасос и узел фильтрации, средство для слива очищенной воды из теплообменной емкости в термостатированную накопительную емкость для очищенной воды содержит установленный в трубопроводе электроклапан и датчик уровня воды в накопительной емкости, 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 теплообменной емкости содержит бак для сбора жидкого концентрата примесей с датчиком уровня жидкости, соединенный трубопроводом через электроклапан с теплообменной емкостью 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 жидких отходов, а электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления, соединенный с электроклапанами и гидронасосом средства фильтрации и подачи исходной воды в теплообменную емкость, а через первую плату управления с дозатором чистой воды в тару потребителю и через вторую плату управления со средствами для замораживания воды и плавления льда, датчиками уровня воды в теплообменной и накопительной емкостях и датчиком уровня жидкости в баке для сбора жидкого концентрата примесей, электроклапанами и гидронасосом средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменной емкости и электроклапанами средства для слива очищенной воды из теплообменной емкости в термостатированную накопительную емкость для очищенной воды и средства подачи очищенной воды в тару потребителю.