EA024757B1 - Method for water purification and apparatus therefor - Google Patents
Method for water purification and apparatus therefor Download PDFInfo
- Publication number
- EA024757B1 EA024757B1 EA201300764A EA201300764A EA024757B1 EA 024757 B1 EA024757 B1 EA 024757B1 EA 201300764 A EA201300764 A EA 201300764A EA 201300764 A EA201300764 A EA 201300764A EA 024757 B1 EA024757 B1 EA 024757B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- water
- ice
- tank
- cooling
- melting
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Water Treatments (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам и средствам для очистки воды методом кристаллизации, 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.The invention relates to methods and means for water purification by crystallization, improving its biological properties by removing soluble organic and inorganic substances and gases in it and can be used in everyday life, food industry and medicine.
Известен способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии. Замораживание воды проводят до 70-90% от ее объема, таяние льда осуществляют путем теплоизоляции его боковых и нижней поверхностей до образования 30-55% от объема талого стока с последующим его удалением (патент РФ №2077160, МПК С02Р1/22, опубл. 10.04.1997 г.).There is a method of improving the quality of drinking water by freezing, consisting in its freezing, crushing of ice and its melting. Freezing water is carried out up to 70-90% of its volume, melting ice is carried out by thermal insulation of its lateral and lower surfaces to form 30-55% of the volume of melt runoff with its subsequent removal (RF patent No. 2077160, IPC С02Р1 / 22, publ. 10.04 .1997).
Известны также способы получения высокочистой питьевой воды, обладающей биологически активными свойствами, в которых, помимо ряда стадий по очистке воды, имеется стадия замораживания воды (патент СССР № 1799367, МПК С02Р9/00, 1991, патент РФ №2010772, МПК С02Р9/00, 1992, патент РФ № 2031085, кл С02Р9/00, 1992).There are also known methods for producing high-purity drinking water with biologically active properties, in which, in addition to a number of stages for water purification, there is a stage of freezing water (USSR patent No. 1799367, IPC С02Р9 / 00, 1991, RF patent №2010772, IPC С02Р9 / 00, 1992, RF patent No. 2031085, class C02P9 / 00, 1992).
К недостаткам выше приведенных способов можно отнести длительность цикла и невысокую степень очистки воды, что обусловлено отсутствием оптимально подобранных режимов (скорость и время, величины температурных режимов и т.п.) замораживания и оттаивания.The disadvantages of the above methods include the duration of the cycle and the low degree of water purification, due to the lack of optimally selected modes (speed and time, values of temperature conditions, etc.) of freezing and thawing.
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 С02Р1/22, 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.A known water purifier for producing thawed drinking water, which includes a zone of water freezing with an annular freezer located in series in a longitudinal vessel, an area for displacing impurities from the ice front and concentration of impurities in the form of a brine, and a zone for transferring water from solid to liquid with an annular heating element (RF patent No. 2312817, IPC С02Р1 / 22, publ. 20.12.2007). The water purifier has separate nozzles for removing impurities in the form of brine and melt drinking water, located in the lower part of the vessel, and is additionally equipped with a drive unit for moving the frozen water rod mounted behind the freezer and an uncoupling device located in the center of the frozen water rod and made in the form of a pipe . The uncoupling device has an annular cutting part at the inlet, and an expanding profile at the outlet, forming an outlet pipe for removing impurities in the form of a brine.
Однако данное устройство обеспечивает недостаточное качество очистки воды, сложно в конструктивном выполнении, имеет большие габариты морозильной камеры, вес, что затрудняет его использование в бытовых и офисных условиях.However, this device provides insufficient quality of water treatment, it is difficult to constructively, has large dimensions of the freezer, weight, which makes it difficult to use in domestic and office conditions.
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 С02Р1/22, опубл. 11.02.2005).A water purifier is known for producing melt drinking water on an industrial scale from sea water, which includes a water freezing zone with an annular freezer, a zone for displacing impurities from the ice front and a concentration of impurities in the form of brine and a zone of transition of solid state water to sequentially located in one longitudinal vessel. liquid with an annular heating element, separate nozzles for removing impurities in the form of brine and melt drinking water, located in the lower part of the vessel (French patent No. 2858607, IPC С02Р1 / 22, published on 02/11/2005).
Однако данное устройство обеспечивает недостаточное качество очистки воды от примесей и имеет длительный цикл очистки. Кроме того, устройство имеет большие габариты морозильной камеры и общий вес установки, предназначенной для опреснения воды в промышленных масштабах, что затрудняет его использование в бытовых и офисных условиях.However, this device provides insufficient quality of water purification from impurities and has a long cleaning cycle. In addition, the device has large dimensions of the freezer and the total weight of the unit, designed for desalination of water on an industrial scale, which makes it difficult to use in domestic and office conditions.
Известен способ очистки воды в емкости (патент РФ №2274607, МПК С02Р1/22, опубл. 20.04.2006 г.), включающий отвод тепла с помощью размещенного в емкости теплообменника, размещенного в верхней части емкости примерно на 1/3-2/3 высоты столба жидкости от верхних ее слоев на равноудаленном расстоянии от центра и боковых поверхностей емкости, обеспечивающего разность температур в пределах 1-(-1)°С, обуславливающую процесс локально-объемной кристаллизации при непрерывном постепенном многоступенчатом намораживании кристаллов льда вокруг теплообменника. Для очистки воды проводят непрерывное постепенное многоступенчатое намораживание кристаллов льда вокруг теплообменника по массе не более 50-70% от общей массы исходной воды, слив из емкости незамерзшей воды с примесями, полное размораживание льда и повторное частичное намораживание до небольших объемов в пределах 3-7% от ее массы и слив талой воды для ее потребления с одновременной фильтрацией через фильтр тонкой очистки. Слив воды с примесями и слив талой воды после размораживания производят в разных по высоте емкости сечениях и по разным каналам, при этом слив воды с примесями производят через канал, выполненный в самом нижнем основании дна емкости, а слив талой воды производят через канал, расположенный на 0,5-2 см выше дна емкости.A known method of purifying water in a tank (RF patent No. 2274607, IPC С02Р1 / 22, published on 04/20/2006), including heat removal using a heat exchanger located in the tank, placed in the upper part of the tank by about 1 / 3-2 / 3 the height of the liquid column from its upper layers at an equidistant distance from the center and the side surfaces of the tank, providing a temperature difference in the range of 1 - (- 1) ° С, which causes the process of local-volume crystallization with continuous gradual multi-stage freezing of ice crystals around the heat exchanger. For water purification, continuous gradual multi-stage freezing of ice crystals around the heat exchanger by mass of not more than 50-70% of the total mass of the source water is carried out, drainage from the reservoir of unfrozen water with impurities, complete thawing of ice and repeated partial freezing to small volumes within 3-7% from its mass and drain of melt water for its consumption with simultaneous filtration through a fine filter. The water with impurities is drained and the melt water is thawed after thawing in sections of different height and different channels, while the water with impurities is drained through a channel made at the lowest bottom of the tank bottom, and the melt water is drained through a channel located on 0.5-2 cm above the bottom of the tank.
Размораживание льда производят в два этапа, при этом на первом этапе размораживают до 90-95% льда от его общего объема, содержащего небольшой процент тяжелых изотопов водорода, а на втором этапе размораживают лед, оставшийся на теплообменнике от начальной кристаллизации и содержащий большой процент тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития. Причем, размораживание льда производят путем постепенного повышения температуры до состояния парообразования и конвекционного перемещения нагретых до температуры не выше 40-80°С слоев пара. Размораживание льда производят путем нагревания экранированного кабеля, намотанного на боковую поверхность емкости.The ice is thawed in two stages, while at the first stage up to 90-95% of the ice from its total volume, containing a small percentage of heavy hydrogen isotopes, is thawed, and at the second stage, ice remaining on the heat exchanger from the initial crystallization and containing a large percentage of heavy isotopes is thawed hydrogen, deuterium and tritium. Moreover, the ice is thawed by gradually raising the temperature to the state of vaporization and convection movement of the steam layers heated to a temperature of no higher than 40-80 ° С. Ice is thawed by heating a shielded cable wound around the side of the container.
Известна установка для очистки воды (патент РФ №2274607, МПК С02Р1/22, опубл. 20.04.2006 г.), содержащая емкость для неочищенной воды, установленный в емкости теплообменник для отвода теплаA known installation for water purification (RF patent No. 2274607, IPC С02Р1 / 22, published on 04/20/2006), containing a container for untreated water, a heat exchanger installed in the tank for heat removal
- 1 024757 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 0,52 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.- 1 024757 and ice freezing, means for heating and thawing ice, a freezing unit with a cooling system, a pipeline with a valve for draining water with impurities, a pipe with a valve for draining melt water, characterized in that the heat exchanger is made in the form of a multi-stage coil located in the upper part of the container with a height of approximately 1 / 3-2 / 3 of the container height at a distance of 2 ^ 5 cm relative to the upper base of the container and symmetrically with respect to its lateral surface with a gap that allows volumetric freezing ice in the water around the coil to a size that does not overlap this gap during ice crystallization, the tank is equipped with a heat-insulating lid and a seal, the pipeline for draining water with impurities is installed in the cross section of the conical bottom of the tank, and the pipeline for draining the melt water is installed below the conical bottom of the tank on 0.52 cm. The unit is equipped with a fine filter with a drain pipe with a valve and a pump for circulating and pumping melt water under pressure through a fine filter and a control unit in manual or auto aticheskom mode.
Наиболее близким аналогом (прототипом) способа является способ очистки воды (патент РФ №2393996, МПКС02Р1/22, опубл. 10.07.2010 г.), включающий первое охлаждение воды в термостатируемой рабочей емкости и последующее ее постепенное замораживание при температуре выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в течение времени достаточном для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями, слив указанного рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры до значений, превышающих температуру кристаллизации тяжелой воды и выдержке льда при указанной температуре до полного его размораживания, повторное охлаждение воды до температуры кристаллизации тяжелой воды и выдержке ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды и слив готового продукта в виде очищенной талой воды в потребительскую емкость при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки. Нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов в автоматическом режиме, температуру среды внутри рабочей емкости при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин, время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°С, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,050,1°С/мин.The closest analogue (prototype) of the method is the method of water purification (RF patent No. 2393996, MPKS02R1 / 22, publ. 07/10/2010), including the first cooling of water in a thermostatically controlled working tank and its subsequent gradual freezing at a temperature above the crystallization temperature of liquid brine with organic and inorganic impurities for a time sufficient for the complete crystallization of pure water with impurities of heavy water and the formation of a liquid brine with organic and inorganic impurities, draining the specified brine, on roar of ice mass with a gradual increase in temperature to values exceeding the crystallization temperature of heavy water and holding the ice at the specified temperature until it is fully thawed, re-cooling the water to the crystallization temperature of heavy water and holding it at the indicated temperature until the heavy water crystallizes completely and the finished product is drained into in the form of purified melt water into a consumer tank while filtering it through a fine filter. Heating, cooling, water crystallization and ice melting are carried out uniformly outside the working tank by means of thermoelectric elements in contact with its thermally conductive walls in automatic mode, the temperature of the medium inside the working tank during the first cooling of the water is reduced to a value not lower than minus 3 ° С with the rate of change of the medium temperature in working capacity equal to the range of values of 0.1-0.3 ° C / min, the cycle time of the first crystallization of water is calculated automatically by software from the moment of its phase of the transition determined by increasing the temperature of the medium near the side wall of the working vessel by at least 0.5 ° C, the temperature of the medium inside the working vessel during the first crystallization of water is reduced to a value not lower than minus 4 ° C with a rate of change of temperature of the medium in the working vessel a range of values of 0.050.1 ° C / min.
Наиболее близким аналогом (прототипом) устройства является аппарат для очистки воды (патент РФ №2393996, МПК С02Р1/22, 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.The closest analogue (prototype) of the device is a water purifier (RF patent No. 2393996, IPC С02Р1 / 22, publ. 07/10/2010), including a housing in which a thermostatic working container with a lid and an inclined bottom with a drain hole is placed water, a means for freezing water and melting ice with a control unit, a consumer tank for receiving melt purified water and a tank for receiving water with impurities and a high content of deuterium, pipelines with a means for controlling the discharge of water in the latter, connected to a regular opening of the inclined bottom of the working tank for freezing water and melting ice, the drain pipes of which are installed respectively above the consumer tank for receiving purified melt water and a tank for receiving water with impurities and a high deuterium content. Means for freezing water and melting ice are made in the form of a thermoelectric module containing several thermoelectric elements located outside on the side wall of the working tank for freezing water and melting ice, the means for controlling water drainage in pipelines contains four normally closed valves installed in pairs in the last.
Однако в выше приведенных аналогах и прототипе процесс очистки воды занимает длительное время, т.к недостаточна поверхность контакта с охлаждаемой поверхностью, а масса намораживаемого льда в известных конструкциях емкостей для очистки воды, формируется не только на внутренней поверхности охлаждаемых стенок емкости, но и в объеме жидкости вследствие чего процесс передачи энергии от поверхности емкости к объему очищаемой воды замедляется пропорционально увеличению толщины намораживаемого слоя льда. Кроме того, с увеличением толщины слоя льда снижается интенсивность процесса вытеснения примесей на границе фронта кристаллизации лед-вода.However, in the above analogues and prototype, the water treatment process takes a long time, because the contact surface with the surface to be cooled is insufficient, and the mass of frozen ice in the known structures of water treatment tanks is formed not only on the inner surface of the cooled walls of the tank, but also in volume liquid, as a result of which the process of energy transfer from the surface of the tank to the volume of water being treated slows down in proportion to the increase in the thickness of the freezing ice layer. In addition, with an increase in the thickness of the ice layer, the intensity of the process of displacing impurities at the boundary of the ice-water crystallization front decreases.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа и аппарата для очистки воды замораживанием, которые обеспечивают повышение качества и сокращение времени очистки воды.The technical result of the claimed invention is the creation of such a method and apparatus for freezing water treatment, which provide improved quality and reduced water treatment time.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды, включающем заполнение емкости водой для очистки, охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени достаточном для полной кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей, слив указанного жидкого концентрата, плавление льда при положительной температуре до его размора- 2 024757 живания с последующим сливом очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками охладительных и нагревательных элементов в автоматическом режиме с использованием электронного блока управления, температуру среды внутри рабочей емкости при охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин, кристаллизацию осуществляют со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,05-0,1°С/мин, время циклов кристаллизации заданного объема воды, слива жидкого концентрата и таяния льда определяют используя расчетные или экспериментальные данные, введенные в программу электронного блока управления, причем начало цикла кристаллизации воды исчисляют с момента фазового перехода воды, регистрируемого датчиком температуры по спонтанному повышению температуры среды у боковой стенки термостатированной емкости не менее чем на 0,5°С, время цикла кристаллизации воды и его окончание контролируют программными средствами блока управления, а цикл кристаллизации воды прекращают после истечения заданного времени работы охлаждающих элементов и отключения их электронным блоком управления, согласно изобретения, очищаемую воду перед охлаждением и замораживанием формируют в виде кольцевого цилиндрического слоя жидкости путем заполнения водой термостатированной емкости, внутренний объем которой выполнен в виде кольцевой цилидрической щелевой полости, образованной между ее цилиндрическими стенками, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют с одной из наружных боковых поверхностей емкости, время цикла кристаллизации воды устанавливают достаточным для образования на охлаждаемой поверхности кольцевого слоя льда толщиной не более 1,5 см, а плавление льда под действием положительной температуры и слив талой воды осуществляют одновременно, причем, талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при положительной температуре близкой к температуре плавления льда.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of water treatment, including filling the tank with water for cleaning, cooling and then freezing it in the tank at a temperature above the crystallization temperature of the liquid concentrate of organic and inorganic impurities in the water for a time sufficient to completely crystallize pure water in the form of an ice layer and the formation of a liquid concentrate of organic and inorganic impurities, the discharge of the specified liquid concentrate, melting of ice when temperature until it is sized, followed by draining the purified melt water, and cooling, water crystallization and ice melting by heating are carried out outside the working tank by means of cooling and heating elements in contact with its thermally conductive walls in an automatic mode using an electronic control unit, the ambient temperature inside the working tank when cooling water is reduced to a value not lower than minus 3 ° C with a rate of change of the temperature of the medium in the working tank equal to the interval values of 0.1-0.3 ° C / min, crystallization is carried out with a rate of change of the temperature of the medium in the working vessel equal to the interval of values of 0.05-0.1 ° C / min, the time of crystallization cycles of a given volume of water, discharge of liquid concentrate and melting ice is determined using the calculated or experimental data entered into the program of the electronic control unit, and the beginning of the water crystallization cycle is calculated from the moment of the phase transition of water recorded by the temperature sensor by a spontaneous increase in the temperature of the medium near the side wall the capacitance of the capacitance is not less than 0.5 ° C, the time of the water crystallization cycle and its end are controlled by the software of the control unit, and the water crystallization cycle is stopped after the set operating time of the cooling elements has expired and the electronic control unit has turned them off, according to the invention, the water to be treated before cooling and freezing form in the form of an annular cylindrical layer of liquid by filling with water a thermostatic tank, the internal volume of which is made in the form of an annular cilide of a crevice cavity formed between its cylindrical walls, cooling, water crystallization and ice melting by heating are carried out from one of the outer side surfaces of the container, the water crystallization cycle time is set sufficient to form an annular layer of ice with a thickness of not more than 1.5 cm, and ice melting under the influence of positive temperature and melt water are drained simultaneously, moreover, melt water is poured continuously or periodically into a thermostatically controlled storage tank l for its subsequent storage at a positive temperature close to the melting point of ice.
Указанный технический результат достигается также тем, что в аппарате для очистки воды, включающем емкость для очистки воды, выполненную из термопроводного материала, блок управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом чистой воды и жидкого концентрата примесей, связанный с охлаждающими и нагревательными элементами, контактирующими с термопроводной наружной стенкой емкости для очистки воды, а также электроклапанами трубопроводов слива чистой воды и жидкого концентрата примесей, согласно изобретения, емкость для очистки воды выполнена кольцевой в виде двух коаксиально расположенных термопроводных полых цилиндров разного диаметра, зазор между которыми с нижнего торца герметично закрыт перегородкой с образованием внутри емкости кольцевой щелевой полости а трубопровод слива чистой воды соединен с термостатированной накопительной емкостью.The specified technical result is also achieved by the fact that in the apparatus for water purification, which includes a tank for water purification made of heat-conducting material, a control unit for freezing water, melting ice and draining clean water and a liquid concentrate of impurities associated with cooling and heating elements in contact with according to the invention, a water treatment tank with a thermally conductive outer wall of a water treatment tank, as well as electrovalves of pipelines for draining clean water and a liquid impurity concentrate It is made circular in the form of two coaxially located thermally conductive hollow cylinders of different diameters, the gap between them from the lower end is hermetically sealed by a partition to form an annular slot cavity inside the tank, and the clean water drain pipe is connected to a thermostatically controlled storage tank.
Охлаждающие и нагревательные элементы выполнены в виде испарительной трубки холодильного агрегата (охладительные элементы) и трубчатого электронагревателя (нагревательные элементы). Испарительная трубка холодильного агрегата и трубчатый электронагреватель расположены вокруг наружной цилиндрической стенке указанной кольцевой емкости для очистки воды.The cooling and heating elements are made in the form of an evaporating tube of a refrigeration unit (cooling elements) and a tubular electric heater (heating elements). The evaporator tube of the refrigeration unit and the tubular electric heater are located around the outer cylindrical wall of the indicated annular tank for water purification.
Сокращение времени очистки воды обеспечивается за счет того, что в щелевой полости 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 емкости того же объема с кольцевым щелевым внутренним объемом может быть увеличена от 2 до 10 раз. Во столько же раз может быть увеличен тепловой поток охлаждаемой воде вследствие чего сокращается время замораживания и очистки воды.Reducing the time of water purification is provided due to the fact that in the slotted cavity of the tank, water crystallizes in the form of an ice layer of small thickness on one of the side walls of the tank for a short time due to intensive heat exchange between the cooled surface of the tank wall through a thin layer of ice with water, and a significant the volume of this pure ice is formed due to the developed (large) area of the side surface of the container having an internal volume in the form of a flat or annular gap. It is known that for the same volume the smallest surface area will have a capacity in the form of a ball. The surface area of a cubic capacity of the same volume increases approximately 1.24 times. The surface area of the container of the same volume with an annular slotted internal volume can be increased from 2 to 10 times. The heat flux of the cooled water can be increased by the same amount, which reduces the time of freezing and purification of water.
Известно, что удельный тепловой поток равен: с|=к ΔΤ/Ь, вт/м2 где с|- удельный тепловой поток; к - коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м-К);It is known that the specific heat flux is equal to: c | = k ΔΤ / b, W / m 2 where c | is the specific heat flux; k is the coefficient of thermal conductivity of ice, W / (m-K);
ΔΤ- перепад температур при прохождении через слой льда, К;ΔΤ - temperature difference when passing through an ice layer, K;
Ь - толщина слоя льда, м.B is the thickness of the ice layer, m
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.It can be seen from the above formula that the smaller the thickness (b) of the ice layer, the greater the specific heat flux is transferred to the cooled water and the faster the water crystallizes, resulting in a shorter water treatment time.
Повышение качества очистки воды достигается за счет пристеночной кристаллизацией очищаемой воды. На основе экспериментальных данных заявителя установлено, что наиболее чистый лед толщиной не более 1,5 см кристаллизуется на охлажденной стенке емкости с водой. С увеличением толщины слоя льда процесс льдообразования замедляется, а чистота его и физико-химические характеристики снижа- 3 024757 ются (уменьшается рН и увеличивается окислительно-восстановительный потенциал - ОВП).Improving the quality of water treatment is achieved due to the near-wall crystallization of purified water. Based on the experimental data of the applicant, it was found that the purest ice with a thickness of not more than 1.5 cm crystallizes on the cooled wall of the tank with water. With increasing thickness of the ice layer, the process of ice formation slows down, and its purity and physicochemical characteristics decrease (024757 decreases) and the redox potential (ORP) increases.
Качество чистой талой воды повышается также за счет того, что процесс плавления льда совмещен со сливом воды в термостатированную накопительную емкость. При этом на талую воду в процессе плавления льда практически не влияет повышенная температура стенок емкости для очистки воды, которая снижает биологическую активность талой воды и разрушает ее структуру.The quality of pure melt water is also improved due to the fact that the process of melting ice is combined with the discharge of water into a thermostatically controlled storage tank. At the same time, the melt water during ice melting is practically not affected by the increased temperature of the walls of the water treatment tank, which reduces the biological activity of melt water and destroys its structure.
На чертеже представлена схема аппарата с кольцевой емкостью для очистки воды замораживанием, нагревательные и охлаждающие элементы которой размещены вокруг наружной цилиндрической стенки.The drawing shows a diagram of an apparatus with an annular tank for freezing water treatment, the heating and cooling elements of which are placed around the outer cylindrical wall.
Аппарат для очистки воды, реализующий заявляемый способ включает емкость 1 для очистки воды, средство 2 для замораживания воды с испарительной трубкой 3, средство 4 для плавления льда с нагревательным элементом 5 и узел 6 для слива очищенной и загрязненной воды из емкости 1 и электронный блок 7 управления, соединенный со средствами 2 и 4 для замораживания воды и плавления льда и узлом 6 для слива чистой и загрязненной воды. Емкость 1 выполнена кольцевой из двух коаксиально расположенных полых цилиндров разного диаметра: внешнего 8 термопроводного и внутреннего 9 с низкой теплопроводностью. Зазор между цилиндрами 8 и 9 с нижнего торца герметично закрыт перегородкой 10 (дно емкости) с образованием внутри емкости 1 кольцевой щелевой полости 11. Испарительная трубка 3 средства 2 для замораживания воды и нагревательный элемент 5 средства 4 для плавления льда расположены вокруг боковой поверхности внешнего термопроводного цилиндра 8 и плотно контактируют с ней.An apparatus for water purification that implements the inventive method includes a tank 1 for water purification, a means 2 for freezing water with an evaporation tube 3, a means 4 for melting ice with a heating element 5 and a unit 6 for draining purified and contaminated water from a tank 1 and an electronic unit 7 control connected to means 2 and 4 for freezing water and melting ice and node 6 for draining clean and contaminated water. Capacity 1 is made annular of two coaxially arranged hollow cylinders of different diameters: external 8 thermal conductive and internal 9 with low thermal conductivity. The gap between the cylinders 8 and 9 from the lower end is hermetically sealed by a partition 10 (the bottom of the tank) with the formation of an annular slot cavity 11 inside the tank 1. The evaporation tube 3 of the means 2 for freezing water and the heating element 5 of the means 4 for melting ice are located around the side surface of the external thermal cylinder 8 and are in close contact with it.
Электронный блок 7 управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом воды соединен с электромагнитными клапанами 12 и 13 узла 6 для слива очищенной и загрязненной воды соответственно и переключателями 14 и 15 средств 2 и 4 соответственно для замораживания воды и плавления льда. Трубопровод с электромагнитным клапаном 12 соединен с термостатированной накопительной емкостью для чистой талой воды.The electronic unit 7 for controlling freezing water, melting ice and draining water is connected to electromagnetic valves 12 and 13 of unit 6 for draining purified and contaminated water, respectively, and switches 14 and 15 of means 2 and 4, respectively, for freezing water and melting ice. The pipeline with a solenoid valve 12 is connected to a thermostatic storage tank for clean melt water.
Испарительная трубка 3 с фреоном средства 2 для замораживания воды соединена с компрессором и конденсатором 18. Кроме того, электронный блок управления 7 снабжен датчиком 19 температуры, установленным снаружи днища емкости 1.The evaporation tube 3 with freon means 2 for freezing water is connected to a compressor and a condenser 18. In addition, the electronic control unit 7 is equipped with a temperature sensor 19 mounted outside the bottom of the tank 1.
Описание способа очистки воды. Способ очистки воды осуществляют посредством, например, аппарата, изображенного на фиг. 1. В термостатируемую емкость 1 с кольцевой щелевой полостью 11 объемом, например, 2 л, заливают 1,5 л водопроводной воды, которая приобретает форму кольцевого слоя. Все процессы: нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости 1 посредством контактирующей с термопроводящей стенкой 8 охладительных 3 и нагревательных 5 элементов в автоматическом режиме посредством электронного блока 7 управления и алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды. При включении холодильного агрегата на режим охлаждения элементов 3 (испарительной трубки) происходит охлаждение воды через термопроводную стенку 9 емкости 1. Температуру среды внутри рабочей емкости 1 при охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин. Далее осуществляют процесс пристеночной кристаллизации воды. С помощью датчика температуры 19, прикрепленного к поверхности дна емкости 1, рассчитывается время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости не менее чем на 0,5°С. Температуру воды внутри емкости 1 при кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4,0°С (температура выше температуры кристаллизации жидкого концентрата с органическими и неорганическими примесями) со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости 1 равной интервалу значений 0,05-0,1°С/мин. В течение времени (около 95 мин) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде кольцевого слоя пристеночного льда у стенки цилиндра 8 емкости 1, где расположены охладительные элементы 3 и формирование жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями у противоположной стенки цилиндра 9 емкости 1. В течение нескольких минут жидкий концентрат примесей объемом от 300 до 550 мл сливают в канализацию при включении электроклапана 13. Оставшийся в емкости 1 лед подвергают плавлению путем отключения охладительных элементов 3 и включения нагревательных элементов 5. Температуру стенки 8 емкости 1 при таянии льда до полного его расплавления после слива концентрата примесей повышают до величины плюс 10-15°С. Плавление массы льда осуществляют около 30 минут до полного его размораживания. Одновременно с началом плавлением льда проводят непрерывный или периодический (порционный через каждые 3-5 мин) слив талой воды в термостатируемую потребительскую емкость 16 путем автоматического включения электроклапана 12. При этом талая вода практически не контактирует с нагретой стенкой цилиндра 8 емкости 1 за счет чего обеспечивается сохранение температуры талой воды как в емкости 1, так и в термостатируемой потребительской емкости 16 около 0-+2°С, что более длительное время сохраняет ее биологически активные свойства. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 120-130 мин. Содержание чистой талой воды составляет не менее (65-80) об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.Description of the method of water purification. The water purification method is carried out by, for example, the apparatus shown in FIG. 1. In a thermostatically controlled container 1 with an annular slotted cavity 11 of a volume, for example, 2 l, pour 1.5 l of tap water, which takes the form of an annular layer. All processes: heating, cooling, water crystallization and ice melting are carried out uniformly outside the working tank 1 by means of cooling 3 and heating 5 elements in contact with the thermally conductive wall 8 in automatic mode by means of an electronic control unit 7 and an algorithm (program) for the sequence of water purification operations. When the refrigeration unit is switched on to the cooling mode of the elements 3 (evaporator tube), water is cooled through the heat-conducting wall 9 of the tank 1. When the water is cooled, the temperature of the medium inside the working tank 1 is reduced to a value not lower than minus 3 ° С with a rate of change of the temperature of the medium in the working tank equal to the range of values of 0.1-0.3 ° C / min. Next, the process of near-wall crystallization of water is carried out. Using a temperature sensor 19 attached to the bottom surface of the tank 1, the cycle time of water crystallization in the automatic mode is calculated by software from the moment of its phase transition, determined by the spontaneous increase in the temperature of the water in the tank by at least 0.5 ° C. The water temperature inside the tank 1 during water crystallization is reduced to a value not lower than minus 4.0 ° C (the temperature is higher than the crystallization temperature of a liquid concentrate with organic and inorganic impurities) with a rate of change of the temperature of the medium in the working tank 1 equal to the interval of 0.05-0, 1 ° C / min. Over time (about 95 min), complete crystallization of pure water is achieved in the form of an annular layer of wall ice at the cylinder wall 8 of tank 1, where cooling elements 3 are located and the formation of liquid brine with organic and inorganic impurities at the opposite wall of cylinder 9 of tank 1. During a few minutes, a liquid concentrate of impurities with a volume of 300 to 550 ml is drained into the sewer when the solenoid valve 13 is turned on. The ice remaining in the tank 1 is melted by turning off the cooling elements 3 and turned on I heating elements 5. vessel wall temperature 8 1 for melting ice until it melted after draining the impurities concentrate increased to a value plus 10-15 ° C. The mass of ice is melted for about 30 minutes until it is fully thawed. Simultaneously with the beginning of ice melting, continuous melt water is carried out continuously or batchwise (every 3-5 minutes) to thermostatically controlled consumer tank 16 by automatically turning on the electrovalve 12. Moreover, melt water practically does not come into contact with the heated cylinder wall 8 of tank 1, which ensures the preservation of the temperature of melt water both in the tank 1 and in the thermostatically controlled consumer tank 16 is about 0- + 2 ° С, which preserves its biologically active properties for a longer time. The full cycle of obtaining the finished product in the form of purified melt water does not exceed 120-130 minutes. The content of pure melt water is at least (65-80) vol.% Of its initial volume with a decrease in the total content of inorganic impurities by at least 2 times.
Аппарат для очистки воды работает следующим образом. Рабочую емкость 1 наполняют водой, предварительно отфильтрованной от механических примесей, и включают блок 7 управления. Автомати- 4 024757 чески блок 7 управления включает компрессор 17. Происходит постепенное охлаждение воды в ёмкости 1 через термопроводную стенку внешнего цилиндра 8 (фиг. 1) с последующей её заморозкой. Процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда длится около 1,5 ч и контролируется датчиком 19 температуры, данные с которого поступают на электронный блок 7 управления. После окончания формирования кольцевого слоя чистого пристеночного слоя льда блок 7 управления включает электромагнитный клапан 13 и незамёрзший жидкий концентрат с примесями, т.е. вода с высоким содержанием солей (рассол), сливается в канализацию. Далее блок 7 управления включает средство 4 для плавления льда, термоэлемент 5 которого нагревается до температуры не выше +15°С, что соответствует природным условиям. При этом происходит плавление чистого льда. С началом плавления слоя льда блок 7 управления включает электромагнитный клапан 12 и талая вола в непрерывном режиме сливается в термостатированный контейнер 16. Электромагнитный клапан 12 может включаться периодически через каждые 3-5 мин и талая вода порционно поступает в емкость 16.Apparatus for water purification works as follows. The working tank 1 is filled with water, pre-filtered from solids, and include a control unit 7. Automatically 4 024757 control unit 7 includes a compressor 17. A gradual cooling of the water in the tank 1 occurs through the heat-conducting wall of the outer cylinder 8 (Fig. 1) with its subsequent freezing. The freezing process with the formation of pure wall ice lasts about 1.5 hours and is controlled by the temperature sensor 19, the data from which are sent to the electronic control unit 7. After the formation of the annular layer of the pure parietal ice layer is completed, the control unit 7 includes an electromagnetic valve 13 and an unfrozen liquid concentrate with impurities, i.e. water with a high salt content (brine) is discharged into the sewer. Further, the control unit 7 includes a means 4 for melting ice, the thermocouple 5 of which is heated to a temperature not exceeding + 15 ° C, which corresponds to natural conditions. In this case, pure ice melts. With the beginning of the melting of the ice layer, the control unit 7 turns on the electromagnetic valve 12 and the melt ox is continuously discharged into the thermostatically controlled container 16. The electromagnetic valve 12 can be switched on periodically every 3-5 minutes and the melt water is portioned into the tank 16.
При этом талая вода практически не контактирует с нагретой стенкой цилиндра 8 емкости 1 за счет чего обеспечивается сохранение температуры талой воды как в емкости 1, так и в термостатируемой потребительской емкости 16 около 0-+2°С, что более длительное время сохраняет ее биологически активные свойства.In this case, melt water practically does not come into contact with the heated wall of cylinder 8 of tank 1, which ensures that the temperature of melt water both in tank 1 and in thermostatically controlled consumer tank 16 is maintained at about 0- + 2 ° С, which preserves its biologically active for a longer time properties.
Полное таяние льда осуществляется за 0,5 ч. Полный цикл получения талой воды равен около 2-х ч.Complete melting of ice is carried out in 0.5 hours. The full cycle of obtaining melt water is about 2 hours.
Таким образом, по сравнению с аналогами и прототипом, заявляемые способ и аппарат для очистки воды обеспечивают сокращение времени очистки воды в 2 раза вследствие увеличения поверхности контакта между охладителем или нагревателем и очищаемой водой, расположенной в кольцевой полости 11 емкости 1 при замораживании воды и таянии льда. Сокращение времени очистки воды обеспечивается за счет того, что в узкой кольцевой полости 3 емкости 1 обеспечивается более интенсивный массообмен между хладагентом (теплоносителем) и водой, которая кристаллизуется в виде небольшого слоя льда на стенках емкости в течение непродолжительного времени. Существенный объем этого чистого льда образуется за счет большой площади боковой поверхности щелевой емкости 1. Повышение качества очистки воды достигается за счет пристеночной кристаллизацией очищаемой воды в виде кольцевого слоя льда толщиной 1,0-1,5 см, а также за счет устранения локального нагрева талой воды у стенки цилиндра 8 и поддержание температуры талой воды в емкостях 1 и 16 около 0-+2°С.Thus, in comparison with analogues and prototype, the inventive method and apparatus for water purification provide a 2-time reduction in water purification due to an increase in the contact surface between the cooler or heater and the water to be cleaned, located in the annular cavity 11 of the tank 1 when water is frozen and ice melts . The reduction of water treatment time is provided due to the fact that in the narrow annular cavity 3 of the tank 1, more intensive mass transfer between the refrigerant (coolant) and water, which crystallizes as a small layer of ice on the walls of the tank for a short time, is provided. A significant amount of this pure ice is formed due to the large area of the lateral surface of the slit container 1. Improving the quality of water treatment is achieved due to the near-wall crystallization of the purified water in the form of an annular layer of ice with a thickness of 1.0-1.5 cm, as well as by eliminating local heating of melt water at the wall of the cylinder 8 and maintaining the temperature of melt water in tanks 1 and 16 at about 0- + 2 ° C.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201300764A EA024757B1 (en) | 2013-07-10 | 2013-07-10 | Method for water purification and apparatus therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201300764A EA024757B1 (en) | 2013-07-10 | 2013-07-10 | Method for water purification and apparatus therefor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201300764A1 EA201300764A1 (en) | 2015-02-27 |
| EA024757B1 true EA024757B1 (en) | 2016-10-31 |
Family
ID=52594949
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201300764A EA024757B1 (en) | 2013-07-10 | 2013-07-10 | Method for water purification and apparatus therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA024757B1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2010772C1 (en) * | 1992-08-25 | 1994-04-15 | Варнавский Иван Николаевич | Method of preparing curative drinking water and apparatus for effecting same |
| US7467526B2 (en) * | 2005-02-07 | 2008-12-23 | Hsuan-Chi Hsieh | Desalinating process |
| RU2393996C1 (en) * | 2009-01-29 | 2010-07-10 | Сергей Валерьевич Зоткин | Method of purifying water and apparatus for realising said method |
| RU2415813C1 (en) * | 2009-11-06 | 2011-04-10 | Владимир Александрович Бабин | Device to clean water of impurities |
| RU2421404C2 (en) * | 2009-06-04 | 2011-06-20 | Юрий Анатольевич Сухонос | Vessel for preparation of melt water |
| RU2432320C2 (en) * | 2009-01-15 | 2011-10-27 | Дмитрий Сергеевич Кокоулин | Water treatment apparatus |
| RU114948U1 (en) * | 2011-08-10 | 2012-04-20 | Сергей Александрович Бучик | WATER TREATMENT UNIT |
-
2013
- 2013-07-10 EA EA201300764A patent/EA024757B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2010772C1 (en) * | 1992-08-25 | 1994-04-15 | Варнавский Иван Николаевич | Method of preparing curative drinking water and apparatus for effecting same |
| US7467526B2 (en) * | 2005-02-07 | 2008-12-23 | Hsuan-Chi Hsieh | Desalinating process |
| RU2432320C2 (en) * | 2009-01-15 | 2011-10-27 | Дмитрий Сергеевич Кокоулин | Water treatment apparatus |
| RU2393996C1 (en) * | 2009-01-29 | 2010-07-10 | Сергей Валерьевич Зоткин | Method of purifying water and apparatus for realising said method |
| RU2421404C2 (en) * | 2009-06-04 | 2011-06-20 | Юрий Анатольевич Сухонос | Vessel for preparation of melt water |
| RU2415813C1 (en) * | 2009-11-06 | 2011-04-10 | Владимир Александрович Бабин | Device to clean water of impurities |
| RU114948U1 (en) * | 2011-08-10 | 2012-04-20 | Сергей Александрович Бучик | WATER TREATMENT UNIT |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201300764A1 (en) | 2015-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2393996C1 (en) | Method of purifying water and apparatus for realising said method | |
| CA1333560C (en) | Dual freezing chamber system and method for water purification | |
| EA025716B1 (en) | Method for water purification by crystallization method and heat exchange reservoir (embodiments) therefor | |
| RU192027U1 (en) | HEAT EXCHANGE DEVICE FOR WATER TREATMENT SYSTEM BY RECRYSTALLIZATION METHOD | |
| RU2274607C2 (en) | Method of purification of water and the installation for its realization | |
| EA017783B1 (en) | Plant for water purification | |
| Altohamy et al. | An experimental study of a newly designed freezing desalination unit equipped with reversed vapor compression cycle | |
| RU2557628C2 (en) | Apparatus for water purification | |
| EA023930B1 (en) | Device for water purification by method of recrystallisation | |
| RU2550191C1 (en) | Water purification apparatus | |
| RU84515U1 (en) | THERMOELECTRIC MODULE FOR HEATING AND / OR COOLING-FREEZING LIQUID OR SOLID PRODUCTS | |
| RU114948U1 (en) | WATER TREATMENT UNIT | |
| RU2003104764A (en) | METHOD FOR WATER CLEANING AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| EA024757B1 (en) | Method for water purification and apparatus therefor | |
| EA024704B1 (en) | Water purification method and apparatus therefor | |
| RU99477U1 (en) | WATER TREATMENT UNIT | |
| RU83068U1 (en) | WATER TREATMENT UNIT | |
| RU2711357C1 (en) | System of water purification by recrystallisation and heat exchange device for system | |
| RU191503U1 (en) | HEAT EXCHANGE DEVICE FOR WATER TREATMENT SYSTEM BY RECRYSTALLIZATION METHOD | |
| EA025739B1 (en) | Method for water purification | |
| EA025714B1 (en) | Method for water purification | |
| RU2509514C1 (en) | Device for liquid food products concentration | |
| EA025715B1 (en) | Method for water purification | |
| EA023946B1 (en) | Device for water purification by method of recrystallisation | |
| EP3904296A1 (en) | System for purifying water by recrystallization and heat exchange devices (variants) for the implementation thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU |