RU2725403C1 - Система очистки воды методом перекристаллизации и секционное теплообменное устройство для ее реализации (варианты) - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к системе очистки воды методом перекристаллизации и секционным теплообменным устройствам для системы очистки воды методом перекристаллизации. Система состоит из секционного теплообменного устройства с изолированными друг от друга теплообменными камерами и расположенными в них охлаждающими и нагревательными элементами, контура циркуляции воды, контура циркуляции хладагента и средства управления и контроля. Контур циркуляции воды выполнен с возможностью попеременной подачи исходной воды в теплообменные камеры в режиме замораживания воды и слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из теплообменных камер в режиме оттаивания льда. Контур циркуляции хладагента соединен с охлаждающими и нагревательными элементами с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах и с возможностью передачи тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере при замораживании воды, в теплообменную камеру для оттаивания льда. Средство управления и контроля соединено с упомянутыми контурами с возможностью изменения направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах. Теплообменное устройство содержит по меньшей мере две секции с расположенными внутри них изолированными друг от друга теплообменными камерами, экраны цилиндрической формы и охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы, смонтированные в теплообменных камерах вдоль их продольной оси, нагревательные элементы спиральной формы, закрепленные в верхней части упомянутых элементов трубчатой формы, дополнительные нагревательные элементы, закрепленные в нижней части теплообменных камер с наружной стороны экрана, спиральные ребра, закрепленные на охлаждающих и нагревательных элементах трубчатой формы, и средства для подачи и слива воды. Охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы состоят из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга. Нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на наружной трубе, экраны закреплены на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между ними и наружной трубой. Внутренняя труба выполнена с открытым нижним торцом, наружная труба выполнена с закрытым нижним торцом, а длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы. Технический результат заключается в повышении производительности и надежности устройства, а также повышении качества очистки воды. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Группа изобретений относится к системам очистки воды методом перекристаллизации и используемым в них теплообменным устройствам, в частности к системам, содержащим теплообменные устройства с двумя и более камерами, и может быть использована для получения питьевой воды в пищевой промышленности, на предприятиях общественного питания, в медицинских учреждениях, гостиницах, многоквартирных и элитных жилых домах.

Известна система очистки воды методом перекристаллизации и секционное теплообменное устройство для ее реализации (патент №ЕА024321, МПК-2006.01 C02F 1/22, дата публикации 30.09.2016), состоящая из секционного теплообменного устройства с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, охлаждающих и нагревательных элементов для замораживания воды и оттаивания льда, контура циркуляции воды и средства управления и контроля. Охлаждающие и нагревательные элементы выполнены в виде электрических термоэлементов. Контур циркуляции воды соединен с теплообменными камерами с возможностью попеременной подачи в них исходной воды в режиме замораживания воды и слива из них концентрата загрязненной воды и чистой воды в режиме оттаивания льда. Контур циркуляции воды содержит средство для подачи исходной воды, состоящее из гидравлического насоса и фильтра очистки воды, средство для слива концентрата загрязненной воды, состоящее из емкости для концентрата загрязненной воды и гидравлического насоса, средство для слива чистой воды, состоящее из емкости для чистой воды, средство для подачи чистой воды потребителю и средство для слива неиспользованной чистой воды. Средство управления и контроля соединено с контуром циркуляции воды и охлаждающими и нагревательными элементами с возможностью изменения направления потоков воды в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах. Упомянутое средство содержит пульт управления с микропроцессором и связанные с ним платы управления, регулирующие клапаны и датчики уровня воды. Секционное теплообменное устройство выполнено из теплопроводного материала в виде изолированных друг от друга по меньшей мере двух теплообменных камер в форме прямоугольных параллелепипедов плоской щелевой формы. Охлаждающие и нагревательные элементы смонтированы на наружной поверхности одной или нескольких теплообменных камер. Система предназначена для использования в быту, пищевой промышленности и медицине.

Недостатками известной системы являются:

- существенные потери тепловой энергии в связи с выполнением охлаждающих и нагревательных элементов в виде электрических термоэлементов, исключающих попеременную передачу тепла, образующегося в теплообменной камере при замораживании воды, в теплообменную камеру для оттаивания льда;

- большой расход исходной воды в связи утилизацией ее незамерзшего остатка из теплообменных камер в режиме замораживания воды без выполнения повторной очистки;

- сравнительно низкое качество очищенной воды в связи с тем, что в режиме оттаивания льда из состава талой воды не удаляются тяжелая вода и часть тонких взвесей и примесей, вошедших в лед при замораживании исходной воды.

Недостатками известного секционного теплообменного устройства являются:

- существенные потери тепловой энергии в связи с выполнением теплообменных камер с охлаждающими и нагревательными элементами без наружного теплоизоляционного покрытия;

- сравнительно большая продолжительность режимов замораживания воды и оттаивания льда в связи с расположением охлаждающих и нагревательных элементов на наружной поверхности теплообменных камер, что уменьшает их тепловую эффективность в режиме замораживания воды пропорционально увеличению толщины льда на внутренней поверхности теплообменных камер, а в режиме оттаивания льда - из-за осуществления теплопередачи через нижний слой льда;

- сравнительно низкое качество очищенной воды в связи с отсутствием конвективных процессов в объеме исходной воды в режиме замораживания, что приводит к частичному переходу в лед тяжелой воды и растворенных тонких взвесей и примесей, и получением талой воды в режиме оттаивания льда без отделения этих загрязнений.

Вышеуказанные недостатки существенно увеличивают затраты на эксплуатацию системы и ограничивают ее функциональные возможности.

Известна система очистки воды методом перекристаллизации и секционное теплообменное устройство для ее реализации (патент UA №21766, МПК(2006) F25D 11/00, дата публикации 30.04.1998), состоящая из секционного теплообменного устройства с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов для замораживания воды и оттаивания льда трубчатой формы, нагревательных элементов для оттаивания льда спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, контура циркуляции воды, контура циркуляции хладагента и средства управления и контроля. Контур циркуляции воды соединен со средствами для подачи и слива воды с возможностью попеременной подачи исходной воды в теплообменные камеры в режиме замораживания воды и слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из теплообменных камер в режиме оттаивания льда. Упомянутый контур содержит средство для подачи исходной воды, средство для слива концентрата загрязненной воды и средство для слива чистой воды, теплообменный аккумулятор холода, связанный по теплообмену с упомянутыми средствами посредством соответствующих теплообменных элементов, фильтр грубой очистки, расположенный в средстве для подачи исходной воды, и емкость для чистой воды, расположенную в средстве для слива чистой воды. Контур циркуляции хладагента соединен с охлаждающими и нагревательными элементами трубчатой формы с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах, с нагревательным элементом спиральной формы - с возможностью оттаивания льда в теплообменных камерах, и с упомянутыми элементами трубчатой и спиральной формы с возможностью передачи тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере при замораживании воды, в теплообменную камеру для оттаивания льда. Упомянутый контур содержит компрессор, конденсатор с воздушным охлаждением, соединенный на входе с выходом компрессора, теплообменник, соединенный на входе с выходом конденсатора с воздушным охлаждением, а на выходе со входом компрессора, и испаритель, соединенный на входе с выходом теплообменника. Средство управления и контроля соединено с упомянутыми контурами с возможностью изменения направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах и выполнено в виде золотникового распределителя, регулирующих клапанов, соединенных с контурами циркуляции воды и хладагента. Регулирующие клапаны, расположенные в средстве для слива концентрата загрязненной воды, выполнены в виде сильфонных клапанов, соединенных посредством капиллярных трубок с термочувствительными баллончиками, закрепленными на нижних торцах охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы.

Секционное теплообменное устройство содержит корпус и перемычку между теплообменными камерами, выполненные из теплоизолирующего материала. Средство для подачи воды в теплообменные камеры выполнено в виде карманов с отверстием диаметром 1,5-3,0 мм, расположенных в верхней части корпуса и выполненных с возможностью пленочного натекания исходной воды на поверхность спиральных ребер. Охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер и выполнены из трубок диаметром 20-30 мм с закрытыми нижними торцами. Нагревательные элементы спиральной формы закреплены в верхней части элементов трубчатой формы и выполнены в виде капиллярной трубки. Спиральные ребра закреплены на элементах трубчатой формы под элементами спиральной формы и выполнены высотой и шагом 6-12 мм.

Система выполнена в виде приставки к холодильнику «Днепр». Производительность системы составляет около 1 л/ч очищенной воды. Выход очищенной воды составляет менее 10-15% от объема поступающей исходной воды.

Недостатками известной системы являются:

- недостаточная производительность по выходу чистой воды в связи с низкой тепловой эффективностью секционного теплообменного устройства и контура циркуляции хладагента;

- недостаточная надежность средства управления и контроля в связи с его выполнением в виде золотникового распределителя и сильфонных клапанов, соединенных посредством капиллярных трубок с термочувствительными баллончиками;

- большой расход исходной воды в связи с утилизацией ее незамерзшего остатка из теплообменных камер в режиме замораживания льда без выполнения повторной очистки;

- сравнительно низкое качество очищенной воды в связи с тем, что в режиме оттаивания льда из талой воды не полностью удаляются тонкие взвеси и примеси, вошедшие в лед при замораживании исходной воды.

Недостатками известного секционного теплообменного устройства являются:

- недостаточная эффективность теплопередачи от жидкого хладагента к охлаждающему и нагревательному элементу трубчатой формы, выполненного из трубки небольшого диаметра;

- непроизводительный расход части исходной воды в режиме замораживания, связанный с тем, что ее часть стекает за пределы спиральных ребер на дно теплообменной камеры и не участвует в процессе кристаллизации.

Вышеуказанные недостатки существенно увеличивают затраты на эксплуатацию системы и ограничивают ее функциональные возможности.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствования системы очистки воды методом перекристаллизации за счет иного выполнения секционного теплообменного устройства и связанных с ними контуров циркуляции воды, хладагента и средства управления и контроля, обеспечивающих расширение функциональных возможностей за счет существенного повышения производительности по выходу чистой воды, использования более надежных электронных средств управления и контроля, снижения расхода исходной воды и повышения качества ее очистки при сравнительно невысокой стоимости эксплуатации.

Технический результат от реализации поставленной задачи заключается в существенном уменьшении продолжительности режимов замораживания воды и оттаивания льда за счет иного выполнения охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы и продолжительности режима оттаивания льда за счет введения дополнительного нагревательного элемента. Указанный технический результат достигается при одновременном существенном снижении расхода исходной воды за счет ее многократной рециркуляции и исключения возможности стекания за пределы спиральных ребер в режиме замораживания воды.

Поставленная задача решается тем, что система очистки воды методом перекристаллизации, состоящая из секционного теплообменного устройства с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, и средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, контура циркуляции воды, соединенного со средствами для подачи и слива воды с возможностью попеременной подачи исходной воды в теплообменные камеры в режиме замораживания воды и слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из теплообменных камер в режиме оттаивания льда, контура циркуляции хладагента, соединенного с охлаждающими и нагревательными элементами трубчатой формы с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах, с нагревательными элементами спиральной формы с возможностью оттаивания льда в теплообменных камерах и с упомянутыми элементами трубчатой и спиральной формы с возможностью передачи тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере при замораживании воды, в теплообменную камеру для оттаивания льда, и средства управления и контроля, соединенного с упомянутыми контурами с возможностью изменения направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах, при этом охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы, а вход последних соединен с выходом нагревательных элементов спиральной формы, контур циркуляции хладагента содержит компрессор, конденсатор с воздушным охлаждением, соединенный на входе с выходом компрессора, и теплообменник, соединенный на выходе с входом компрессора, а контур циркуляции воды содержит средство для подачи исходной воды, средство для слива концентрата загрязненной воды и средство для слива чистой воды, теплообменный аккумулятор холода, связанный по теплообмену с упомянутыми средствами посредством соответствующих теплообменных элементов, фильтр грубой очистки, расположенный в средстве для подачи исходной воды, и емкость для чистой воды, расположенную в средстве для слива чистой воды, а средство управления и контроля содержит регулирующие клапаны, смонтированные в контурах циркуляции воды и хладагента, согласно изобретению в теплообменных камерах содержатся дополнительные нагревательные элементы, выполненные с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы выполнены с образованием сообщающихся каналов для циркуляции хладагента во встречном направлении, а спиральные ребра снабжены экранами цилиндрической формы, контур циркуляции хладагента дополнительно содержит ресивер-разделитель и конденсатор с водяным охлаждением, соединенный на входе с выходами дополнительных нагревательных элементов и на выходе с входом ресивера-разделителя, выходы которого соединены с входом теплообменника и входом охлаждающих и нагревательных элементов спиральной формы, средство для подачи исходной воды дополнительно содержит емкость для рециркуляции исходной воды и насос для ее подачи из упомянутой емкости в теплообменные камеры, средство для слива концентрата загрязненной воды дополнительно содержит теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, средство для слива чистой воды дополнительно содержит теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, вторую емкость для чистой воды и насос для ее подачи из первой емкости во вторую, а средство управления и контроля дополнительно содержит контроллер и датчики уровня воды, смонтированные в ресивере-разделителе и упомянутых емкостях, и выполнено с возможностью многократной циркуляции исходной воды в теплообменных камерах в режиме замораживания воды и раздельного слива из них в режиме оттаивания льда первой талой воды с растворенными солями, второй талой чистой воды и третьей талой тяжелой воды с последующей утилизацией первой и третьей талой воды и подачей второй талой воды в первую емкость для чистой воды.

Целесообразно, чтобы контроллер средства управления и контроля был соединен с датчиками уровня и с регулирующими клапанами, а последние выполнены в виде электромагнитных клапанов для воды и хладагента.

Целесообразно также, чтобы в контуре циркуляции воды средство для подачи исходной воды по ее ходу в теплообменные камеры содержало фильтр грубой очистки, теплообменный элемент, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода, емкость для рециркуляции исходной воды и насос для ее подачи в теплообменные камеры, средство для слива концентрата загрязненной воды по ее ходу из теплообменных камер содержало упомянутую емкость для рециркуляции исходной воды, упомянутый фильтр грубой очистки, теплообменный элемент, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода, теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, и патрубок для слива в канализацию, а средство для слива чистой воды по ее ходу из теплообменных камер содержало первую емкость для чистой воды, насос, теплообменный элемент, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода, теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, фильтр тонкой очистки, патрон с бактерицидной лампой и вторую емкость для чистой воды с запорным вентилем для регулирования ее подачи потребителю.

Поставленная задача решается также тем, что секционное теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, состоящее из корпуса с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, и средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, при этом корпус выполнен из теплоизолирующего материала, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы, согласно изобретению содержит в каждой из теплообменных камер дополнительные нагревательные элементы, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы состоят из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, а спиральные ребра снабжены экранами цилиндрической формы, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на наружной трубе, упомянутые экраны закреплены на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между ними и наружной трубой, дополнительные нагревательные элементы закреплены в нижней части теплообменных камер с наружной стороны экрана, а средство для подачи воды выполнено с возможностью ее направленной подачи в кольцевую полость, при этом внутренняя труба выполнена с открытым нижним торцом, наружная труба выполнена с закрытым нижним торцом, длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы, их верхние части выполнены с возможностью попеременного соединения с контуром циркуляции хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда и с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы в режиме оттаивания льда, а дополнительные нагревательные элементы выполнены с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда.

Поставленная задача решается также тем, что секционное теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, состоящее из корпуса с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, и средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, при этом корпус выполнен из теплоизолирующего материала, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы, согласно изобретению содержит в каждой из теплообменных камер дополнительные нагревательные элементы, в теплообменных камерах смонтировано по меньшей мере по два охлаждающих и нагревательных элемента трубчатой формы, состоящих из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, спиральные ребра снабжены экранами цилиндрической формы, охлаждающие и нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на наружной трубе, упомянутые экраны закреплены на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между ними и наружной трубой, дополнительные нагревательные элементы закреплены в нижней части теплообменных камер между экранами, а средство для подачи воды выполнено с возможностью ее направленной подачи в кольцевые полости, при этом внутренняя труба выполнена с открытым нижним торцом, наружная труба выполнена с закрытым нижним торцом, длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы, их верхние части выполнены с возможностью попеременного соединения с контуром циркуляции хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда и с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы в режиме оттаивания льда, а дополнительные нагревательные элементы выполнены с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда.

Целесообразно, чтобы длина внутренней трубы была меньше длины наружной трубы на 0,25-0,5 диаметра последней.

Целесообразно также, чтобы средство для подачи воды было выполнено в виде коллектора-разбрызгивателя с возможностью ее направленной подачи в кольцевую полость между экраном и наружной трубой.

Целесообразно также, чтобы нагревательные элементы были выполнены в виде трубчатых секций конденсатора с ребрами.

Усовершенствованная система очистки воды методом перекристаллизации обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, размещение в теплообменных камерах дополнительных нагревательных элементов, выполненных с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда, позволяет сократить продолжительность режима оттаивания льда и обеспечить более равномерное его таяние по высоте спиральных ребер, что создает условия для раздельного слива талой воды. Выполнение охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы с образованием сообщающихся каналов для циркуляции хладагента во встречном направлении позволяет существенно увеличить коэффициент теплопередачи хладагента при замораживании воды и оттаивании льда за счет увеличения протяженности его маршрута, а также исключить в режиме замораживания воды образование гидростатического столба жидкого хладагента. Снабжение спиральных ребер экранами цилиндрической формы позволяет снизить расход исходной воды за счет предотвращения ее стекания с ребер внутрь теплообменных камер, а также повысить турбулентность исходной воды при движении по винтовой поверхности спиральных ребер, что улучшает качество льда в режиме замораживания. В режиме оттаивания льда ограждение позволяет организовать стекание талой воды исключительно по поверхности льда, что обеспечивает более равномерное таяние его слов и создает условия для последующего раздельного слива талой воды.

Выполнение контура циркуляции хладагента с дополнительными ресивером-разделителем и конденсатором с водяным охлаждением, соединенным на входе с выходами нагревательных элементов и на выходе с входом ресивера-разделителя, выходы которого соединены с входом теплообменника и входами охлаждающих и нагревательных элементов спиральной формы, обеспечивает техническую возможность работы дополнительных нагревательных элементов.

Включение в состав средства для подачи исходной воды емкости для рециркуляции исходной воды и насоса для ее подачи из упомянутой емкости в теплообменные камеры, а также включение в состав средства для слива чистой воды второй емкости для чистой воды и насоса для ее подачи из первой емкости во вторую позволяет организовать многократную циркуляцию исходной воды в режиме замораживания, что существенно снижает ее расход и повышает выход очищенной воды из единицы объема исходной воды. На обеспечение этого же результата направлено соответствующее выполнение средства управления и контроля.

Усовершенствование конструкции секционного теплообменного устройства непосредственно связано с реализацией заявляемой системы очистки воды методом перекристаллизации и обеспечивает достижение общего технического результата. В частности, выполнение охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, в сочетании с выполнением внутренней трубы с открытым нижним торцом, наружной трубы с закрытым нижним торцом и длины внутренней трубы меньше длины наружной трубы, направлено на образование сообщающихся каналов для циркуляции хладагента во встречном направлении, что позволяет в дополнение к указанному выше результату существенно увеличить тепловую мощность устройства и за счет этого расширить ее функциональные возможности. Выполнение верхней части наружной трубы с возможностью попеременного соединения с контуром циркуляции хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда и с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы в режиме оттаивания льда, а также дополнительных нагревательных элементов - с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда направлено на обеспечение работоспособности системы в упомянутых режимах, в т.ч. передачи тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в камеру для оттаивания льда. Закрепление охлаждающих и нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер на наружной трубе направлено на техническое осуществление теплообменного устройства. При этом, закрепление дополнительных нагревательных элементов в нижних частях теплообменных камер с наружной стороны экранов позволяет сократить продолжительность оттаивания льда в этом режиме. Закрепление экрана на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между экраном и наружной трубой, кроме указанного выше технического результата, повышает турбулентность потока воды вблизи поверхности спиральных ребер и за счет этого дополнительно увеличивает эффективность теплопередачи при ее замораживании и улучшает качество промывки верхних слоев льда в режиме оттаивания. Выполнение средства для подачи воды с возможностью направления исходной воды в кольцевую полость между наружной трубой и экраном позволяет предотвратить ее разбрызгивание при подаче на поверхность ребер, что также уменьшает расход воды в режиме замораживания. Одновременно направленная подача воды на спиральные ребра позволяет улучшить качество льда при кристаллизации.

Размещение в теплообменных камерах по два охлаждающих и нагревательных элемента трубчатой формы, состоящих из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, в сочетании с остальными существенными признаками заявляемого варианта исполнения секционного теплообменного устройства позволяет существенного увеличить его тепловую эффективность и производительность при очистке воды.

Схематическое изображение системы очистки воды методом перекристаллизации и конструкции секционного теплообменного устройства представлено на фигурах чертежей, где на фиг. 1 показана принципиальная схема контура циркуляции воды; на фиг. 2 - принципиальная схема, контура циркуляции хладагента; на фиг. 3 - схема секционного теплообменного устройства (вариант 1); на фиг. 4 - схема секционного теплообменного устройства (вариант 2).

Система состоит (фиг. 1-3) из секционного теплообменного устройства, выполненного в виде корпуса 1 с двумя теплообменными камерами 2 и 3, изолированными друг от друга перегородкой 4, контура циркуляции хладагента 5 (фиг. 2) контура циркуляции воды 6 (фиг. 1) и средств управления и контроля 7 (пунктирные линии на фиг. 1, 2). Внутри теплообменных камер 2 и 3 смонтированы охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой 8, нагревательные элементы спиральной 9 формы, дополнительные нагревательные элементы 10, спиральные ребра 11 и экран 12 цилиндрической формы. В верхней и нижней частях теплообменных камер 2 и 3 расположены средства, соответственно, для подачи 13 и слива 14 воды (фиг. 3, 4). Охлаждающие и нагревательные элементы для замораживания воды и оттаивания льда трубчатой формы 8 предназначены для работы в режимах замораживания воды и оттаивания льда, а нагревательные элементы спиральной формы 9 и дополнительные нагревательные элементы 10 - в режиме оттаивания льда. При этом упомянутые элементы спиральной формы 9 позволяют повысить интенсивность оттаивания льда в верхней части спиральных ребер 11 и организовать сток талой воды сверху вниз по наружной поверхности нижележащих слоев льда в процессе таяния, что обеспечивает их промывание от примесей, образовавшихся при замораживании исходной воды. Дополнительные нагревательные элементы 10 позволяют сократить продолжительность оттаивания льда на нижней половине спиральных ребер 11.

Контур циркуляции хладагента 5 состоит (фиг. 2) из компрессора 15, конденсатора с воздушным охлаждением 16, конденсатора с водяным охлаждением 17, теплообменника 18 и ресивера-разделителя 19. Конденсатор с воздушным охлаждением 16 соединен на входе с выходом компрессора 15 и на выходе - с дополнительными нагревательными элементами 10, конденсатор с водяным охлаждением 17 соединен на входе с выходами дополнительных нагревательных элементов 10 и на выходе - со входом ресивера-разделителя 19. Выходы последнего соединены с входом теплообменника 18 и входами нагревательных элементов спиральной формы 9, выходы которых соединены с входами охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы 8. Выход теплообменника 18 соединен с входом компрессора 15. Контур циркуляции хладагента 5 соединен с охлаждающими и нагревательными элементами трубчатой формы 8 с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах 2 и 3, с нагревательными элементами спиральной формы 9 и с дополнительными нагревательными элементами 10 - с возможностью оттаивания льда в теплообменных камерах 2 и 3 и с упомянутыми элементами 8, 9 и 10 - с возможностью передачи тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере при замораживании воды, в теплообменную камеру для оттаивания льда.

Контур циркуляции воды 6 состоит (фиг. 1) из средства для подачи исходной воды, средства для слива концентрата загрязненной воды и средства для слива чистой воды. Средство для подачи исходной воды по ее ходу в теплообменные камеры 2 и 3 содержит: фильтр 20 грубой очистки, теплообменный элемент 21, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода 22, емкость 23 для рециркуляции исходной воды и насос 24 для ее подачи в теплообменные камеры 2 и 3. Средство для слива концентрата загрязненной воды по ее ходу из теплообменных камер 2 и 3 содержит: упомянутую емкость 23, упомянутый фильтр 20, теплообменный элемент 25, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода 22, теплообменный элемент 26, расположенный в конденсаторе с водяным охлаждением 17, и патрубок 27 для слива в канализацию. Средство для слива чистой воды по ее ходу из теплообменных камер 2 и 3 содержит: первую емкость 28 для чистой воды с запорным вентилем 29 и патрубком 30 для слива, насос 31, теплообменный элемент 32, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода 22, теплообменный элемент 33, расположенный в конденсаторе с водяным охлаждением 17, фильтр 34 тонкой очистки, патрон 35 с бактерицидной лампой и вторую емкость 36 для чистой воды с запорным вентилем 37 для регулирования ее подачи потребителю. Теплообменный аккумулятор холода 22 и емкости 23, 28 и 36 выполнены с теплоизоляцией. Контур циркуляции воды 6 соединен со средствами для подачи 13 и слива 14 воды с возможностью попеременной подачи исходной воды в теплообменные камеры 2 и 3 в режиме замораживания воды и слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из них в режиме оттаивания льда.

Средство управления и контроля 7 содержит пульт управления с контроллером 38, связанные с ним регулирующие клапаны 39-50, смонтированные в контуре циркуляции хладагента 5, регулирующие клапаны 51-56, смонтированные в контуре циркуляции воды 6, и датчики уровня 57-62, смонтированные, соответственно, на ресивере-разделителе 19 и емкостях 23, 28 и 36 (фиг. 1, 2). Регулирующие клапаны 53 и 54 выполнены трехходовыми отсечными. Регулирование разности давлений кипения и конденсации хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда осуществляется посредством регулирующих клапанов 43 и 46, которые через контроллер 38 связаны с датчиками температуры хладагента (не обозначены), расположенными на линии входа в компрессор 15. Контроллер 38 осуществляет управление упомянутыми регулирующими клапанами посредством соленоидных приводов. Средства управления и контроля соединены с контурами циркуляции хладагента 5 и воды 6 с возможностью изменения направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах 3 и 4. При этом, с контуром циркуляции воды 6 средства управления и контроля соединены с возможностью многократной циркуляции исходной воды в теплообменных камерах 2 и 3 в режиме замораживания воды и раздельного слива из них в режиме оттаивания льда первой талой воды с растворенными солями, второй талой чистой воды и третьей талой тяжелой воды с последующей утилизацией первой и третьей талой воды и подачей второй талой воды в первую емкость 28 для чистой воды. В зависимости от режима работы в охлаждающих и нагревательных элементах трубчатой формы 9 циркулирует либо кипящий хладагент - режим замораживания, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания, а в элементах спиральной формы 9 и дополнительных нагревательных элементах 10 - только конденсирующий хладагент в режиме оттаивания. Управление системой осуществляется в автоматическом режиме посредством контроллера 38 через пульт управления (не показан).

В соответствии с заданным алгоритмом контроллер 38 обеспечивает выполнение следующих операций:

- попеременное замораживание воды и оттаивание льда в камерах теплообменных устройств и передачу тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в камеру для оттаивания льда;

- изменение направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда;

- многократную (до 40-50 раз) рециркуляцию исходной воды в режиме замораживания;

- снижение температуры исходной воды перед ее подачей в теплообменные камеры посредством теплообмена с концентратом загрязненной воды, охлажденным в режиме замораживания воды, и продуктами раздельного слива талой воды из теплообменных камер в режиме оттаивания льда;

- слив незамерзшего концентрата загрязненной воды из теплообменных камер в режиме замораживания воды;

- разделение слива талой воды из теплообменных камер в режиме оттаивания льда на три составляющих: первую талую воду с растворенными солями, вторую талую чистую воду и третью талую тяжелую воду с последующей утилизацией первой и третьей талой воды и подачей второй талой воды в первую емкость для чистой воды;

- накопление и регулирование уровня чистой воды в первой емкости и ее перекачивание во вторую емкость для использования.

Секционное теплообменное устройство для системы очистки воды по варианту 1 состоит (фиг. 3) из корпуса 1 с двумя теплообменными камерами 2 и 3, изолированными друг от друга перегородкой 4, и смонтированных внутри упомянутых камер охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы 8, нагревательных элементов спиральной формы 9, дополнительных нагревательных элементов 10, спиральных ребер 11 и экрана 12 цилиндрической формы. В верхней и нижней частях теплообменных камер 2 и 3 расположены средства, соответственно, для подачи 13 и слива 14 воды. Корпус 1 и перегородка 4 выполнены из теплоизолирующего материала.

Охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы 8 состоят из внутренней 63 и наружной 64 труб, расположенных коаксиально друг относительно друга. Нагревательные элементы спиральной формы 9 закреплены на наружной трубе 64 в ее верхней части. Спиральные ребра 11 закреплены также на наружной трубе 64, а экраны 12 закреплены на спиральных ребрах 11 с образованием кольцевой полости (не обозначена) между ними и соответствующей наружной трубой 64. Дополнительные нагревательные элементы 10 закреплены в нижней части теплообменных камер 2 и 3 с наружной стороны экранов 12 на расстоянии 5-10 мм от их поверхности и выполнены в виде трубчатых секций конденсатора с ребрами. Входы и выходы дополнительных нагревательных элементов 10 выполнены с возможностью соединения с контуром циркуляции хладагента 5 в режиме оттаивания льда.

Внутренняя 63 и наружная 64 трубы закреплены на корпусе 1 в верхней части теплообменных камер 2 и 3 вдоль их продольных осей. Длина труб 63 и 64 и экрана 12 меньше высоты теплообменных камер 2 и 3, а длина внутренней трубы 63 меньше длины наружной трубы 64 на 0,25-0,5 диаметра последней. При этом внутренняя труба 63 выполнена с открытым нижним торцом, а наружная труба 64 выполнена с закрытым нижним торцом с образованием сообщающихся цилиндрической и кольцевой полостей (не обозначены) для циркуляции хладагента. Верхние концы внутренней 63 и наружной 64 труб выполнены с возможностью соединения с соответствующими контурами циркуляции хладагента 5 при режимах замораживания воды и оттаивания льда. Указанное выполнение элементов трубчатой формы обеспечивает устойчивую циркуляцию жидкого хладагента за счет изменения направления его движения в сообщающихся цилиндрической и кольцевой полостях, а также за счет исключения эффекта гидростатического столба в режиме замораживания воды. При этом за счет увеличения протяженности маршрута циркуляции и за счет ее организации в узкой кольцевой полости между стенками внутренней 63 и наружной 64 труб существенно увеличивается коэффициент теплопередачи хладагента в указанных режимах. Кроме этого, наличие полости во внутренней трубе 63 «сглаживает» перепады температур между хладагентом внутри кольцевой полости и водой или льдом на спиральных ребрах 11, что дополнительно сокращает продолжительность режимов замораживания воды и оттаивания льда, снижает энергозатраты и увеличивает эффективность теплообменного устройства.

Закрепление охлаждающих и нагревательных элементов спиральной формы 9 в верхней части наружной трубы 64 позволяет повысить интенсивность оттаивания наружной поверхности льда на спиральных ребрах 11 и организовать сток талой воды сверху вниз, что обеспечивает удаление солей и примесей с поверхности нижележащих слоев льда. Внутренний диаметр экрана 12 соответствует наружному диаметру спиральных ребер 11 и выполнен в виде обечайки из тонкостенного материала, например, полиэтилена высокой плотности толщиной 1-2 мм. Экран 12 закреплен на спиральных ребрах 11 плотной посадкой. Такое расположение экрана 12 позволяет ограничить объем льдообразования и плавления льда внутри теплообменных камер 2 и 3 узкой кольцевой зоной спиральных ребер 11, что повышает эффективность теплопередачи хладагента и существенно уменьшает продолжительность режимов охлаждения воды и оттаивания льда. Средства для подачи воды 13 содержат коллекторы-разбрызгиватели 65, выполненные с возможностью направленной подачи воды на верхние витки спиральных ребер 11 в кольцевых полостях между стенкой наружной трубы 64 и экраном 12.

Секционное теплообменное устройство для системы очистки воды по варианту 2 (фиг. 4) выполнено аналогично устройству по варианту 1. В отличие от него, теплообменные камеры 2 и 3 выполнены с увеличенным объемом и содержат по два охлаждающих и нагревательных элемента трубчатой формы 8 с закрепленными на них нагревательными элементами спиральной формы 9 и спиральными ребрами 11, а также закрепленными на последних экранами 12. Дополнительные нагревательные элементы 10 закреплены между экранами 12. Средства для подачи воды 13 с коллекторами-разбрызгивателями 65 выполнены с возможностью направленной подачи воды на верхние витки каждой пары спиральных ребер 11 в кольцевых полостях между стенкой наружной трубы 64 и экраном 12. Секционное теплообменное устройство по варианту 2 предназначено для систем очистки воды повышенной производительности.

Заявляемая система очистки воды с секционными теплообменными устройствами обеспечивает очистку воды от следующих загрязнений:

- очистку исходной воды от взвешенных частиц диаметром более 5 мкм посредством фильтра 23 грубой очистки;

- очистку исходной воды от растворенных примесей посредством слива незамерзшего концентрата загрязненной воды из теплообменных камер 2 и 3 в режиме замораживания воды;

- очистку воды от тяжелой составляющей на 15÷25% посредством ее первичной кристаллизации в режиме замораживания воды и отдельного кратковременного слива в третьей талой воде в режиме оттаивания льда;

- заключительную очистку воды от взвешенных частиц диаметром 0,5÷5 мкм и укрупненных коагуляцией, образовавшихся при льдообразовании, посредством отдельного кратковременного слива первой талой воды в режиме оттаивания льда;

- заключительное обеззараживание второй чистой талой воды ультрафиолетовым облучением посредством бактерицидной лампы 35.

Представленная в описании и на фигурах чертежей система очистки воды методом перекристаллизации и теплообменное устройство для ее реализации не исчерпывают всех возможных вариантов их исполнения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата. В частности, в системе может использоваться любое количество секционных теплообменных устройств заявляемой конструкции, что позволяет создать их унифицированный ряд с разной производительностью. Для сокращения продолжительности режима оттаивания льда теплообменные устройства могут содержать дополнительные нагревательные элементы. Охлаждающие и нагревательные элементы в теплообменных устройствах могут быть выполнены иной формы или конструкции.

Работа системы очистки воды методом перекристаллизации.

Пример 1. Очистка загрязненной воды без раздельного слива воды.

В рассматриваемом примере теплообменная камера 2 работает в режиме замораживания воды, а теплообменная камера 3 - в режиме оттаивания льда с соответствующей передачей тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере 2 при замораживании воды, в теплообменную камеру 3 для оттаивания льда. В теплообменной камере 2 в охлаждающих и нагревательных элементах трубчатой формы 8 циркулирует кипящий хладагент, а в теплообменной камере 3 в аналогичных элементах 8 и нагревательных элементах 9 и 10 циркулирует конденсирующий хладагент. Направление движения воды и хладагента в этих режимах работы показано на фиг. 1 и 2 сплошными линиями со стрелками. Средство управления и контроля 7 реализует заложенный в контроллер 38 алгоритм программы по изменению направления потоков воды в теплообменных камерах 2 и 3 и хладагента в охлаждающих и нагревательных элементах 8 и нагревательных элементах 9 и 10. При этом контроллер 38 настроен на открытие-закрытие регулирующих клапанов в контуре циркуляции хладагента 5 таким образом, что верхний конец внутренней трубы 63 в теплообменной камере 2 соединен с линией подачи жидкого хладагента, а в теплообменной камере 3-е линией выдачи жидкого хладагента, верхний конец наружной трубы 64 соединен, соответственно, с линией отвода пара хладагента на вход компрессора 15 и с линией ввода пара хладагента из ресивера-разделителя 19.

Пуск системы выполняют с пульта управления посредством контроллера 38, который далее осуществляет управление системой в автоматическом режиме. Первоначально открывается клапан 56 подачи исходной воды, которая через фильтр 20 и теплообменный элемент 21, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода 22, поступает в емкость 23, откуда насосом 24 через клапан 51 подается в теплообменную камеру 2. Через средство 13 и коллектор-разбрызгиватель 65 исходная вода направляется на верхние витки спиральных ребер 11 в кольцевых полостях между стенкой наружной трубы 64 и экраном 12 и стекает по виткам частично намораживаясь на их поверхности. Незамерзшая исходная вода поступает в нижнюю часть теплообменной камеры 2 и далее возвращается в емкость 23 через средство для слива 14 и регулирующий клапан 53. После заполнения емкости 23 клапан 56 закрывается, и циркуляция исходной воды между упомянутой емкостью и теплообменной камерой 2 осуществляется насосом 24, который обеспечивает 40-50 кратную циркуляцию исходной воды в теплообменной камере 2. По мере расхода части исходной воды на замораживание ее уровень в емкости 23 поддерживают автоматически посредством датчика уровня 58, связанного через контроллер 38 с клапаном 56. Использование спиральных ребер 11 и экрана 12 сужает фронт набегания исходной воды на поверхность растущего льда, что позволяет увеличить коэффициент орошения и улучшить качество льда при замораживании исходной воды. При этом, поверхностная пленка с повышенной концентрацией солей и растворенных примесей, образующаяся на верхних слоях растущего льда в процессе кристаллизации исходной воды, интенсивно смывается вновь набегающей исходной водой за счет ее турбулизации при стекании по спиральной поверхности. Кроме этого, экран 12 ограничивает зону подачи исходной воды на спиральные ребра 11, что предотвращает ее разбрызгивание и также улучшает турбулизацию потока вблизи фронта замораживания. Через 20-30 мин после начала циркуляции исходной воды при температуре хладагента минус 12°С на винтовой поверхности спиральных ребер 11 образуется слой льда толщиной около 9 мм. После этого контроллер 38 закрывает клапаны 51 и 53 и останавливает поступление исходной воды в теплообменную камеру 2. Емкость 23 через клапан 55 опорожняют от концентрата загрязненной воды с высоким содержанием примесей, которая подается в патрубок 27 для слива в канализацию, следуя через теплообменный элемент 25 в теплообменном аккумуляторе холода 22, фильтр 20, очищая его "обратным ходом", регулирующий клапан 55 и теплообменный элемент 26, расположенный в конденсаторе с водяным охлаждением 17.

Правая теплообменная камера 3 в это время работает в режиме оттаивания льда, образовавшегося на спиральных ребрах 11 при первом запуске системы. Внутри теплообменной камеры 3 циркулирует горячий пар хладагента, который, конденсируясь, оттаивает лед. Талая чистая вода стекает по спиральным ребрам 11 в нижнюю часть теплообменной камеры 3 и далее через клапан 54 поступает в первую емкость 28. Насос 31 откачивает чистую воду из емкости 28 и через теплообменный элемент 32, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода 22, теплообменный элемент 33, расположенный в конденсаторе с водяным охлаждением 17, фильтр 34 и патрон 35 с бактерицидной лампой подает ее во вторую емкость 36, где она накапливается для последующего снабжения потребителей. При прохождении теплообменного аккумулятора холода 22 и конденсатора с водяным охлаждением 17 холодная чистая вода в результате ее теплообмена, соответственно, с исходной водой и хладагентом, нагревается на 5-7°С. В фильтре 34 чистая вода дополнительно очищается от растворимых и нерастворимых примесей и укрупненных коагуляций, образовавшихся при замерзании исходной воды. В патроне 35 с бактерицидной лампой чистая вода обеззараживается вспышками ультрафиолетового излучения от микробных загрязнений. Емкость 36 расположена в верхней части системы, что позволяет подавать чистую воду потребителям под гидростатическим напором.

Контур хладагента 5 в упомянутых режимах работает следующим образом (фиг. 2). Компрессор 15 нагнетает хладагент по трубопроводу в секции конденсатора с воздушным охлаждением 16, откуда он через регулирующие клапаны 49 и 50 поступает в дополнительные нагревательные элементы 10 и выводится в конденсатор с водяным охлаждением 17, где хладагент частично конденсируется. Парожидкостная смесь хладагента из конденсатора с водяным охлаждением 17 поступает в ресивер-разделитель 19 и разделяется в нем на жидкую и паровую фазы. Жидкий хладагент поступает в теплообменник 18, охлаждается в нем, а затем дросселируется в клапане 46 и по трубопроводам через клапан 39 подается в верхнюю часть внутренней трубы 63 в теплообменной камере 2. Опустившись по внутренней трубе 63, хладагент меняет направление и движется вверх в кольцевой полости между стенками внутренней 63 и наружной 64 труб. В результате теплообмена с исходной водой, стекающей по винтовой поверхности спиральных ребер 11, хладагент выкипает, постепенно замораживая исходную воду. Пар хладагента выводится из верхней части упомянутой кольцевой полости и по трубопроводам через регулирующий клапан 47 направляется в теплообменник 18 и далее поступает на вход компрессора 15.

Паровая фаза хладагента из ресивера-разделителя 19 по трубопроводам через клапан 44 и нагревательные элементы 9 поступает в верхнюю часть наружной трубы 64 в теплообменной камере 3. При движении через кольцевую полость между стенками наружной 64 и внутренней 63 труб и далее через полость во внутренней трубе 63 пар хладагента за счет теплообмена со льдом на спиральных ребрах 11 полностью конденсируется и по трубопроводам через клапан 41 поступает в клапан 43, где жидкий хладагент дросселируется, смешивается с жидким хладагентом, поступающим по трубопроводу из клапана 46, и вместе с ним подается в верхнюю часть внутренней трубы 63 в теплообменной камере 2. После частичной конденсации хладагент направляется в конденсатор с водяным охлаждением 17 и далее подается на вход ресивера-разделителя 19.

После завершения режима замораживания воды в теплообменной камере 2 и режима оттаивания льда в теплообменной камере 3 первый цикл перекристаллизации прекращается. По команде контроллера 38 в контуре циркуляции хладагента 5 клапаны 39, 41, 44, 47 и 50 одновременно закрываются и открываются клапаны 40, 42, 45, 48 и 49 для циркуляции хладагента в противоположном направлении (показано штриховыми линиями со стрелками). В контуре циркуляции воды 4 закрываются клапаны 51 и 53, а клапаны 52 и 54 открываются. Емкость 23 заполняется новой порцией исходной воды, охлажденной примерно на 5°С при ее прохождении по теплообменному элементу 21 в теплообменном аккумуляторе холода 22. Рециркуляция исходной воды между емкостью 23 и правой теплообменной камерой осуществляется посредством насоса 24 через клапаны 52 и 54. В теплообменной камере 2 выполняется режим оттаивания льда на спиральных ребрах 11. Циркуляция хладагента в охлаждающих и нагревательных элементах в упомянутых камерах 2 и 3 осуществляется зеркально относительно циркуляции в первом цикле.

Пример 2. Очистка загрязненной воды с раздельным сливом талой воды.

Раздельный слив талой воды основан на известных отличиях условий перекристаллизации тяжелой воды, температура плавления льда из которой равна 3,813°С, «чистой» воды с температурой плавления 0°С и воды с растворенными солями, температура плавления которой несколько ниже нуля. Это позволяет выработать алгоритм управления контуром циркуляции воды в режиме оттаивания льда, при котором из теплообменной камеры по отдельности сливаются первая талая вода с растворенными солями при плавлении верхнего слоя льда, вторая талая вода - продуктовая при плавлении среднего слоя льда и третья талая - тяжелая вода при плавлении нижнего слоя льда. При этом первую и третью талую воду в суммарном объеме 3-5% от общего объема талой воды, получаемой в каждой теплообменной камере, утилизируют через емкость 23 и клапан 55. Алгоритм программы раздельного слива талой воды разработан с учетом разных температур плавления и технических параметров теплообменных устройств.

В рассматриваемом примере теплообменная камера 2 работает в режиме оттаивания льда, а теплообменная камера 3 - в режиме замораживания воды с соответствующей передачей тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере 3 при замораживании воды, в теплообменную камеру 2 для оттаивания льда. Циркуляция хладагента осуществляется через открытые регулирующие клапаны 40, 42, 45, 48 и 49, а рециркуляции воды между емкостью 23 и теплообменной камерой 3 - через открытые регулирующие клапаны 52 и 54. Однако после включения по команде контроллера 38 режима оттаивания льда регулирующий клапан 53 срабатывает с некоторым запаздыванием относительно закрытия регулирующего клапана 51, и вместо сброса первой талой воды в емкость 28 возвращает ее в емкость 23. После этого регулирующий клапан 53 переключается на слив талой продуктовой воды в емкость 28. Перед выключением по команде контроллера 38 режима оттаивания льда регулирующий клапан 53 срабатывает с опережением относительно открытия клапана 51, направляя третью талую воду в емкость 23. Временной интервал несинхронных срабатываний регулирующего клапана 53 относительно клапана 51 составляет 3-5% от продолжительности режима оттаивания льда в теплообменной камере 2. Слив первой талой воды позволяет отделить от чистой воды часть растворенных солей, оставшихся в межкристаллических прослойках при замораживании исходной воды, а слив третьей воды позволяет отделить тяжелую воду, обогащенную дейтерием.

Применение спиральных ребер 11 в качестве поверхности для образования льда и стока воды при его таянии позволяет повысить эффективность раздельного слива талой воды: в режиме замораживания - за счет турбулизации исходной воды, которая укоряет массопередачу менее подвижных молекул дейтерия (Д₂О) к фронту растущей ледяной поверхности по сравнению с молекулами «чистой» воды (H₂О) и воды с растворенными солями, а в режиме оттаивания льда - за счет одновременной передачи тепла на верхний и нижний слои льда и промывки верхнего слоя по мере его таяния турбулентным потоком талой воды, стекающей сверху вниз по винтовой поверхности.

В зависимости от степени загрязнения исходной воды производительность системы составляет от 500 до 1500 л/сутки. При этом обеспечивается необходимое качество очищенной воды в сочетании с высоким коэффициентом ее извлечения из загрязненной воды, что существенно снижает эксплуатационные затраты. Повышение производительности заявляемого устройства по сравнению с известными техническими решениями обеспечивается за счет следующих факторов:

- увеличения эффективности теплопередачи в режимах замораживания воды и оттаивания льда за счет выполнения охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы из внутренней и наружной труб с образованием сообщающихся каналов для циркуляции хладагента во внутренней трубе и в кольцевой полости между стенками внутренней и наружной труб;

- использования в режиме оттаивания льда дополнительных нагревательных элементов 14.

Повышение качества очистки воды достигается за счет следующих факторов:

- сужения фронта подачи исходной воды на охлаждающую поверхность, что улучшает опреснение льда в режиме замораживания;

- вымывания солей из поверхностного слоя льда в режиме оттаивания;

- отделения от чистой воды первой талой воды с повышенным содержанием растворенных солей и третьей талой воды с повышенным содержанием тяжелой воды, обогащенной дейтерием.

Заявляемые система и теплообменное устройство апробированы в системах очистки исходной воды с общей минерализацией до 2%. Использование заявляемой системы обеспечивает очистку воды от солей, пестицидов, ядохимикатов, радионуклидов, органики, растворенного хлора и других неорганических и органических веществ и газов. Сочетание в системе достаточно большой производительности и высокого качества очищенной воды позволяет использовать ее для оборудования медицинских учреждений, пищевых предприятий, торговых киосков, элитных и многоквартирных жилых домов, гостиниц и других объектов, связанных с повышенным потреблением чистой воды. При этом заявляемая система позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты по сравнению с известными системами аналогичного назначения. Уменьшение затрат при эксплуатации системы обеспечивается за счет повышения производительности и за счет многократной рециркуляции исходной воды в процессе очистки, что существенно снижает объемы ее потребления.

Claims (8)

1. Система очистки воды методом перекристаллизации, состоящая из секционного теплообменного устройства с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, и средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, контура циркуляции воды, соединенного со средствами для подачи и слива воды с возможностью попеременной подачи исходной воды в теплообменные камеры в режиме замораживания воды и слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из теплообменных камер в режиме оттаивания льда, контура циркуляции хладагента, соединенного с охлаждающими и нагревательными элементами трубчатой формы с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах, с нагревательными элементами спиральной формы с возможностью оттаивания льда в теплообменных камерах и с упомянутыми элементами трубчатой и спиральной формы с возможностью передачи тепла хладагента, образующегося в теплообменной камере при замораживании воды, в теплообменную камеру для оттаивания льда, и средства управления и контроля, соединенного с упомянутыми контурами с возможностью изменения направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в теплообменных камерах, при этом охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы, а вход последних соединен с выходом нагревательных элементов спиральной формы, контур циркуляции хладагента содержит компрессор, конденсатор с воздушным охлаждением, соединенный на входе с выходом компрессора, и теплообменник, соединенный на выходе с входом компрессора, а контур циркуляции воды содержит средство для подачи исходной воды, средство для слива концентрата загрязненной воды и средство для слива чистой воды, теплообменный аккумулятор холода, связанный по теплообмену с упомянутыми средствами посредством соответствующих теплообменных элементов, фильтр грубой очистки, расположенный в средстве для подачи исходной воды, и емкость для чистой воды, расположенную в средстве для слива чистой воды, а средства управления и контроля содержит регулирующие клапаны, смонтированные в контурах циркуляции воды и хладагента, отличающаяся тем, что в теплообменных камерах содержатся дополнительные нагревательные элементы, выполненные с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы выполнены с образованием сообщающихся каналов для циркуляции хладагента во встречном направлении, а спиральные ребра снабжены экранами цилиндрической формы, контур циркуляции хладагента дополнительно содержит ресивер-разделитель и конденсатор с водяным охлаждением, соединенный на входе с выходами дополнительных нагревательных элементов и на выходе с входом ресивера-разделителя, выходы которого соединены с входом теплообменника и входом охлаждающих и нагревательных элементов спиральной формы, средство для подачи исходной воды дополнительно содержит емкость для рециркуляции исходной воды и насос для ее подачи из упомянутой емкости в теплообменные камеры, средство для слива концентрата загрязненной воды дополнительно содержит теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, средство для слива чистой воды дополнительно содержит теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, вторую емкость для чистой воды и насос для ее подачи из первой емкости во вторую, а средство управления и контроля дополнительно содержит контроллер и датчики уровня воды, смонтированные в ресивере-разделителе и упомянутых емкостях, и выполнено с возможностью многократной циркуляции исходной воды в теплообменных камерах в режиме замораживания воды и раздельного слива из них в режиме оттаивания льда первой талой воды с растворенными солями, второй талой чистой воды и третьей талой тяжелой воды с последующей утилизацией первой и третьей талой воды и подачей второй талой воды в первую емкость для чистой воды.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер средства управления и контроля соединен с датчиками уровня и с регулирующими клапанами, а последние выполнены в виде электромагнитных клапанов для воды и хладагента.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в контуре циркуляции воды средство для подачи исходной воды по ее ходу в теплообменные камеры содержит фильтр грубой очистки, теплообменный элемент, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода, емкость для рециркуляции исходной воды и насос для ее подачи в теплообменные камеры, средство для слива концентрата загрязненной воды по ее ходу из теплообменных камер содержит упомянутую емкость для рециркуляции исходной воды, упомянутый фильтр грубой очистки, теплообменный элемент, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода, теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, и патрубок для слива в канализацию, а средство для слива чистой воды по ее ходу из теплообменных камер содержит первую емкость для чистой воды, насос, теплообменный элемент, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода, теплообменный элемент, связанный по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, фильтр тонкой очистки, патрон с бактерицидной лампой и вторую емкость для чистой воды с запорным вентилем для регулирования ее подачи потребителю.

4. Секционное теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, состоящее из корпуса с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, и средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, при этом корпус выполнен из теплоизолирующего материала, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы, отличающееся тем, что содержит в каждой из теплообменных камер дополнительные нагревательные элементы, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы состоят из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, а спиральные ребра снабжены экранами цилиндрической формы, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на наружной трубе, упомянутые экраны закреплены на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между ними и наружной трубой, дополнительные нагревательные элементы закреплены в нижней части теплообменных камер с наружной стороны экрана, а средство для подачи воды выполнено с возможностью ее направленной подачи в упомянутую кольцевую полость, при этом внутренняя труба выполнена с открытым нижним торцом, наружная труба выполнена с закрытым нижним торцом, длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы, их верхние части выполнены с возможностью попеременного соединения с контуром циркуляции хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда и с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы в режиме оттаивания льда, а дополнительные нагревательные элементы выполнены с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда.

5. Секционное теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, состоящее из корпуса с изолированными друг от друга по меньшей мере двумя теплообменными камерами, охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер, смонтированных внутри упомянутых камер, и средств для подачи и слива воды, расположенных соответственно в верхней и нижней частях теплообменных камер, при этом корпус выполнен из теплоизолирующего материала, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхней части теплообменных камер, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы, отличающееся тем, что содержит в каждой из теплообменных камер дополнительные нагревательные элементы, в теплообменных камерах смонтировано по меньшей мере по два охлаждающих и нагревательных элемента трубчатой формы, состоящих из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, спиральные ребра снабжены экранами цилиндрической формы, охлаждающие и нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на наружной трубе, упомянутые экраны закреплены на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между ними и наружной трубой, дополнительные нагревательные элементы закреплены в нижней части теплообменных камер между экранами, а средство для подачи воды выполнено с возможностью ее направленной подачи в упомянутые кольцевые полости, при этом внутренняя труба выполнена с открытым нижним торцом, наружная труба выполнена с закрытым нижним торцом, длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы, их верхние части выполнены с возможностью попеременного соединения с контуром циркуляции хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда и с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы в режиме оттаивания льда, а дополнительные нагревательные элементы выполнены с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда.

6. Секционное теплообменное устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы на 0,25-0,5 диаметра последней.

7. Секционное теплообменное устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что средство для подачи исходной воды выполнено в виде коллектора-разбрызгивателя с возможностью ее направленной подачи в кольцевую полость между экраном и наружной трубой.

8. Секционное теплообменное устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что дополнительные нагревательные элементы выполнены в виде трубчатых секций конденсатора с ребрами.

Images