RU2786296C1

RU2786296C1 - Heat exchanger for water purification system by recrystallization method

Info

Publication number: RU2786296C1
Application number: RU2022110016A
Authority: RU
Inventors: Денис Дмитриевич Блинов; Евгений Юрьевич Муринский
Original assignee: Акционерное общество "ПРИСТИНАМ"
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2022-12-19

Abstract

FIELD: water purification devices.

SUBSTANCE: claimed group of inventions relates to devices for water purification by recrystallization, in particular to devices for the production of drinking melted water, and can be used in systems for the purification of technical, polluted, saline and sea water. The device comprises a housing with outer and inner walls, oriented upwards, with a bottom and a locking lid. The housing contains a displacer, a baffle, a manifold for air supply, mounted with the possibility of supplying air to the lower part of the cooling cavity, a set of pipes for supplying and discharging water. The displacer is made in the form of a cone oriented with the opening angle upwards, with the possibility of adjusting the amount of contaminated water supplied to the housing, the duration of the water freezing and ice thawing regimes. The partition is made in the form of a truncated cone and is oriented with the opening angle upwards. The baffle is located between the inner wall of the housing and the displacer to form, respectively, cooling and recirculating annular cavities communicating with each other through water above and below the baffle. In the inner cavity of the displacer there is a heating element, which is configured to maintain the temperature of the surface layer of water in a predetermined interval. Water inlet and outlet pipes are mounted on the bottom of the housing and are configured to supply water to the cooling cavity and drain from the recirculation cavity. A refrigerant or heat carrier is supplied and discharged through pipes into the annular cavity between the outer and inner walls of the housing. Planks are rigidly fixed on the inner wall of the housing radially to its surface.

EFFECT: reducing the duration of water freezing and ice thawing regimes while improving the quality of purified water.

10 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации, в частности к устройствам для получения талой питьевой воды, и может быть использовано в системах очистки технической, загрязненной, засоленной и морской воды. The invention relates to devices for water purification by recrystallization, in particular to devices for the production of melt drinking water, and can be used in purification systems for technical, polluted, saline and sea water.

Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА025716, МПК(2006.01) C02F 1/22, C02F 9/02, C02F 103/04, дата публикации 30.01.2017), состоящее из корпуса, выполненного в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, вытеснителя аналогичной формы, коаксиально расположенного в корпусе с образованием кольцевой полости, нагревательных и охлаждающих элементов и патрубка для слива воды. Корпус содержит днище и запирающуюся крышку. Вытеснитель закреплен на крышке. Патрубок для слива воды закреплен на днище. Нагревательные и охлаждающие элементы закреплены на наружной поверхности корпуса и изолированы слоем теплоизоляции. Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды и в режиме оттаивания льда. Режим замораживания осуществляют после заполнения кольцевой полости загрязненной водой. За счет воздействия охлаждающих элементов температура загрязненной воды снижается до величины не ниже -(3-4) °C, что приводит к формированию кольцевого фронта кристаллизации воды, направленного в сторону вытеснителя. В процессе кристаллизации вода в кольцевой полости не перемешивается. Незамерзший остаток загрязненной воды сливают через патрубок, смонтированный на днище корпуса. После образования кольцевого слоя льда на внутренней поверхности корпуса охлаждающие элементы отключают и включают нагревательные элементы. Оттаивание льда осуществляют при температуре около 15 °C, что соответствует природным условиям. Слив чистой талой воды осуществляют через патрубок в накопительную емкость. Выполнение корпуса в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, повышает эффективность процессов теплопередачи и обеспечивает плотный контакт его внутренней поверхности с кольцевым слоем льда при оттаивании. Полный цикл очистки загрязненной воды в теплообменном устройстве составляет до 4,0 часов. Теплообменное устройство используют в системах очистки воды, содержащих автоматический блок управления, связанный с датчиками контроля параметров режимов замораживания и оттаивания.Known heat exchange device for water purification by recrystallization (patent No. EA025716, IPC(2006.01) C02F 1/22, C02F 9/02, C02F 103/04, publication date 01/30/2017), consisting of a housing made in the form of a truncated cone, oriented solution angle upwards, a displacer of a similar shape, coaxially located in the body with the formation of an annular cavity, heating and cooling elements and a pipe for draining water. The body contains a bottom and a lockable cover. The displacer is fixed on the cover. The pipe for draining water is fixed on the bottom. Heating and cooling elements are fixed on the outer surface of the housing and insulated with a thermal insulation layer. The heat exchanger works alternately in the contaminated water freezing mode and in the ice thawing mode. Freezing mode is carried out after filling the annular cavity with contaminated water. Due to the effect of cooling elements, the temperature of contaminated water is reduced to a value not lower than -(3-4) °C, which leads to the formation of an annular water crystallization front directed towards the displacer. During crystallization, the water in the annular cavity does not mix. The unfrozen residue of contaminated water is drained through a pipe mounted on the bottom of the housing. After the formation of an annular layer of ice on the inner surface of the housing, the cooling elements are switched off and the heating elements are switched on. Ice thawing is carried out at a temperature of about 15 ° C, which corresponds to natural conditions. Pure melt water is drained through a branch pipe into a storage tank. The execution of the body in the form of a truncated cone, oriented upwards, increases the efficiency of heat transfer processes and provides a tight contact of its inner surface with the annular layer of ice during thawing. The complete cycle of contaminated water purification in the heat exchange device is up to 4.0 hours. The heat exchange device is used in water purification systems containing an automatic control unit associated with sensors for monitoring the parameters of freezing and thawing modes.

Недостатками известного технического решения являются:The disadvantages of the known technical solution are:

- низкая производительность, обусловленная большой продолжительностью режимов замораживания и оттаивания при заданных температурных параметрах;- low productivity due to the long duration of freezing and thawing modes at given temperature parameters;

- сравнительно невысокое качество очищенной воды в связи с осуществлением процесса замораживания загрязненной воды без ее перемешивания в кольцевой полости, что приводит к увеличению содержания органических и неорганических примесей в структуре льда, намораживаемого на внутреннюю поверхность корпуса, и, соответственно, в талой воде, полученной из этого льда.- relatively low quality of purified water due to the implementation of the process of freezing contaminated water without mixing it in the annular cavity, which leads to an increase in the content of organic and inorganic impurities in the structure of ice frozen on the inner surface of the body, and, accordingly, in the melt water obtained from this ice.

Вышеуказанные недостатки известного технического решения существенно ограничивают область его применения.The above disadvantages of the known technical solution significantly limit the scope of its application.

Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент RU № 192027, МПК(2006.01) C02F 1/22, дата публикации 30.08.2019), состоящее из корпуса, выполненного в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, вытеснителя и перегородки, коаксиально расположенных в корпусе, нагревательного элемента, коллектора для подачи воздуха и патрубков для подачи и отвода воды, теплоносителя и хладагента. Корпус содержит наружную и внутреннюю стенки, образующие кольцевую полость между ними, днище и запирающуюся крышку. Вытеснитель и перегородка выполнены цилиндрической формы. Высота вытеснителя соответствует высоте внешнего корпуса. Перегородка расположена между внутренней стенкой корпуса и вытеснителем с образованием соответственно охлаждающей и рециркуляционной кольцевых полостей, сообщающихся между собой по воде над перегородкой и под ней. Нагревательный элемент закреплен в верхней части вытеснителя и выполнен в виде электронагревателя. Коллектор для подачи воздуха смонтирован на днище корпуса в охлаждающей полости. Патрубки для воды смонтированы на крышке и днище корпуса с возможностью ее подачи и отвода из рециркуляционной полости. Патрубки для подачи и отвода теплоносителя и хладагента соединены с нагревательными и охлаждающими элементами, расположенными между упомянутыми стенками корпуса. Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды и в режиме оттаивания льда. Режим замораживания осуществляют при температуре охлаждающих элементов от -3 °C до -35 °C после заполнения упомянутой кольцевой полости загрязненной водой. В охлаждающей полости температура загрязненной воды быстро снижается с одновременным формированием кольцевого фронта кристаллизации, направленного от внутренней стенки корпуса к перегородке. Использование перегородки позволяет ограничить фронт кристаллизации воды достаточно узким пространством, что уменьшает продолжительность режима замораживания. После формирования тонкого слоя льда на поверхности внутренней стенки корпуса в охлаждающую полость через коллекторы подают сжатый воздух, а также на непродолжительное время включают нагревательный элемент на вытеснителе, что повышает интенсивность вертикальной циркуляции загрязненной воды и способствует более быстрому ее охлаждению и росту чистого и прозрачного слоя льда. При этом обеспечивается снижение градиента примесей на границе лед-вода и уменьшается межкристаллическое загрязнение льда солями и взвесями. Продолжительность режима замораживания составляет 0,2-2,0 часа в зависимости от объема загрязненной воды. Незамерзший остаток загрязненной воды сливают через патрубок, после чего отключают охлаждающие элементы и включают нагревательные элементы, посредством которых осуществляют нагревание внутренней стенки корпуса до температуры не выше +10 °С, соответствующей природным условиям таяния льда. В процессе оттаивания кольцевого слоя льда талая вода скапливается в нижней части корпуса и посредством патрубка ее сливают в накопительную емкость. Продолжительность режима оттаивания составляет около 0,5 часа. Полный цикл очистки воды в теплообменном устройстве составляет 2,0-2,5 часа, что существенно меньше, чем в устройстве по патенту № ЕА025716. При этом за счет циркуляции воды в процессе ее замораживания и уменьшения толщины фронта кристаллизации достигается повышение качества очищенной воды.A heat exchange device for water purification by the method of recrystallization is known (patent RU No. 192027, IPC (2006.01) C02F 1/22, publication date 08/30/2019), consisting of a housing made in the form of a truncated cone, oriented by the solution angle upwards, a displacer and a partition, coaxially located in the housing, a heating element, a manifold for supplying air and branch pipes for supplying and discharging water, heat carrier and refrigerant. The body contains outer and inner walls forming an annular cavity between them, a bottom and a lockable cover. The displacer and the baffle are cylindrical in shape. The height of the displacer corresponds to the height of the outer casing. The baffle is located between the inner wall of the housing and the displacer to form, respectively, cooling and recirculating annular cavities communicating with each other through water above and below the baffle. The heating element is fixed in the upper part of the displacer and is made in the form of an electric heater. The air supply manifold is mounted on the bottom of the housing in the cooling cavity. Branch pipes for water are mounted on the cover and the bottom of the housing with the possibility of its supply and removal from the recirculation cavity. Branch pipes for supplying and discharging heat carrier and refrigerant are connected to heating and cooling elements located between said walls of the housing. The heat exchanger works alternately in the contaminated water freezing mode and in the ice thawing mode. The freezing mode is carried out at a temperature of the cooling elements from -3 °C to -35 °C after filling the said annular cavity with contaminated water. In the cooling cavity, the temperature of contaminated water rapidly decreases with the simultaneous formation of an annular crystallization front directed from the inner wall of the housing to the partition. The use of a partition makes it possible to limit the water crystallization front to a rather narrow space, which reduces the duration of the freezing regime. After the formation of a thin layer of ice on the surface of the inner wall of the housing, compressed air is supplied to the cooling cavity through the collectors, and the heating element on the displacer is turned on for a short time, which increases the intensity of the vertical circulation of contaminated water and contributes to its faster cooling and the growth of a clean and transparent layer of ice. . This ensures a decrease in the impurity gradient at the ice-water interface and reduces the intercrystalline contamination of ice with salts and suspensions. The duration of the freezing mode is 0.2-2.0 hours, depending on the volume of contaminated water. The unfrozen residue of contaminated water is drained through the pipe, after which the cooling elements are turned off and the heating elements are switched on, by means of which the inner wall of the housing is heated to a temperature not higher than +10 °C, corresponding to the natural conditions of ice melting. In the process of thawing the annular layer of ice, melt water accumulates in the lower part of the body and is drained through a pipe into a storage tank. The duration of the defrosting mode is about 0.5 hours. The complete cycle of water purification in the heat exchange device is 2.0-2.5 hours, which is significantly less than in the device according to patent No. EA025716. At the same time, due to the circulation of water in the process of its freezing and a decrease in the thickness of the crystallization front, an increase in the quality of purified water is achieved.

Недостатком известного технического решения является сравнительно небольшая производительность при заданных температурных параметрах, обусловленная:The disadvantage of the known technical solution is the relatively low productivity at given temperature parameters, due to:

- неравномерной толщиной слоя льда по высоте внутренней стенки корпуса в связи с неодинаковой шириной охлаждающей полости, что приводит к увеличению продолжительности режимов замораживания и оттаивания;- uneven thickness of the ice layer along the height of the inner wall of the housing due to the unequal width of the cooling cavity, which leads to an increase in the duration of the freezing and thawing modes;

- монолитностью слоя льда, образующегося в режиме замораживания на внутренней стенке корпуса, что приводит к увеличению продолжительности режима оттаивания.- the solidity of the ice layer formed in the freezing mode on the inner wall of the housing, which leads to an increase in the duration of the thawing mode.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача повышения производительности теплообменного устройства для системы очистки воды методом перекристаллизации за счет иного выполнения полостей для перекристаллизации и иного выполнения средств для интенсификации процессов замораживания воды и оттаивания льда.The basis of the claimed invention is the task of increasing the performance of a heat exchange device for a water purification system by recrystallization due to a different design of cavities for recrystallization and a different implementation of means for intensifying the processes of freezing water and thawing ice.

Технический результат от реализации поставленной задачи заключается в существенном уменьшении продолжительности режимов замораживания воды и оттаивания льда. Указанный технический результат достигается при одновременном повышении качества очищенной воды.The technical result from the implementation of the task is to significantly reduce the duration of the modes of freezing water and thawing ice. The specified technical result is achieved while improving the quality of purified water.

Поставленная задача решается тем, что теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, состоящее из корпуса, выполненного в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, вытеснителя и перегородки, коаксиально расположенных в корпусе, нагревательного элемента, коллектора для подачи воздуха и патрубков для подачи и отвода воды, теплоносителя и хладагента, при этом корпус содержит наружную и внутреннюю стенки, образующие кольцевую полость между ними, днище и запирающуюся крышку, а перегородка расположена между внутренней стенкой корпуса и вытеснителем с образованием соответственно охлаждающей и рециркуляционной кольцевых полостей, сообщающихся между собой по воде над перегородкой и под ней, согласно заявляемому изобретению оно содержит планки, жестко закрепленные на внутренней стенке корпуса радиально к ее поверхности, и патрубки для воды, смонтированные на днище с возможностью ее подачи в охлаждающую полость и отвода из рециркуляционной полости, вытеснитель выполнен в форме конуса, ориентированного углом раствора вверх, перегородка выполнена в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, патрубки для подачи и отвода теплоносителя и хладагента выполнены с возможностью их подачи в кольцевую полость между наружной и внутренней стенками корпуса и отвода из упомянутой полости, а коллектор для подачи воздуха смонтирован с возможностью его подачи в нижнюю часть охлаждающей полости, при этом внутренняя полость вытеснителя заполнена незамерзающим теплоносителем, нагревательный элемент расположен во внутренней полости вытеснителя, а угол наклона стенки вытеснителя и перегородки соответствует углу наклона внутренней стенки корпуса относительно продольной оси.The problem is solved by the fact that a heat exchange device for a water purification system by recrystallization, consisting of a body made in the form of a truncated cone oriented upwards, a displacer and a partition coaxially located in the body, a heating element, a manifold for air supply and nozzles for supplying and removal of water, coolant and refrigerant, while the housing contains the outer and inner walls forming an annular cavity between them, the bottom and a lockable cover, and the partition is located between the inner wall of the housing and the displacer to form, respectively, cooling and recirculating annular cavities communicating with each other via water above and below the partition, according to the claimed invention it contains strips rigidly fixed on the inner wall of the housing radially to its surface, and nozzles for water mounted on the bottom with the possibility of its supply to the cooling cavity and removal from the recirculation cavity, the displacer is made in the form of a cone oriented with the opening angle upwards, the partition is made in in the form of a truncated cone, oriented by the angle of the solution upwards, the nozzles for supplying and discharging the coolant and refrigerant are made with the possibility of their supply to the annular cavity between the outer and inner walls of the housing and removal from the mentioned cavity, and the air supply manifold is mounted with the possibility of its supply to the lower part cooling cavity, while the internal cavity of the displacer is filled with a non-freezing coolant, the heating element is located in the internal cavity of the displacer, and the angle of inclination of the displacer wall and the baffle corresponds to the angle of inclination of the inner wall of the housing relative to the longitudinal axis.

При этом целесообразно, чтобы угол наклона упомянутых стенок корпуса относительно продольной оси корпуса составлял от 18°до 72°.At the same time, it is expedient that the angle of inclination of said walls of the housing relative to the longitudinal axis of the housing ranges from 18°up to 72°.

Целесообразно также, чтобы высота перегородки составляла от 0,8 до 0,9 высоты корпуса.It is also expedient that the height of the baffle is between 0.8 and 0.9 of the height of the housing.

Целесообразно также, чтобы объем вытеснителя составлял от 10% до 70% внутреннего объема корпуса.It is also advisable that the volume of the displacer is from 10% to 70% of the internal volume of the body.

Целесообразно также, чтобы планки были жестко закреплены на внутренней стенке корпуса симметрично друг относительно друга, а их длина составляла от 0,8 до 0,9 длины упомянутой стенки корпуса.It is also expedient that the straps are rigidly fixed on the inner wall of the housing symmetrically with respect to each other, and their length is from 0.8 to 0.9 of the length of said housing wall.

Усовершенствованная конструкция теплообменного устройства для системы очистки воды методом перекристаллизации обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, использование в конструкции устройства планок, жестко закрепленных на внутренней стенке корпуса радиально к ее поверхности, позволяет существенно уменьшить продолжительность оттаивания кольцевого слоя льда за счет его сегментации по высоте и повышения эффективности теплопередачи от внутренней стенки корпуса. Оборудование устройства дополнительными патрубками для воды, смонтированными на днище корпуса с возможностью ее подачи в охлаждающую полость и отвода из рециркуляционной полости, позволяет в режиме замораживания организовать циркуляцию загрязненной воды вдоль перегородки с движением потока сверху-вниз в рециркуляционной полости и снизу-вверх в охлаждающей полости. Такая организация циркуляции обеспечивает образование разных температур в двух частях потока загрязненной воды при работе устройства: более высокой температуры потока в рециркуляционной полости и пониженной - в охлаждающей полости. Выполнение вытеснителя в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, и выполнение перегородки с аналогичной формой позволяет образовать кольцевые полости с постоянной шириной по высоте перегородки и за счет этого обеспечить равномерное формирование кольцевого фронта кристаллизации в режиме замораживания загрязненной воды и таяния наружной поверхности льда в режиме оттаивания, что сокращает продолжительность упомянутых режимов при заданных температурных параметрах. Использование вытеснителя, внутренняя полость которого заполнена незамерзающим теплоносителем, и расположение в этой полости нагревательного элемента обеспечивает равномерную передачу тепла от нагревательного элемента в рециркуляционную полость, что позволяет поддерживать в ней более высокую температуру воды по сравнению с охлаждающей полостью и за счет этого сместить в интервал положительных температур начало льдообразования тяжелой воды. В режиме оттаивания это позволяет сократить продолжительность таяния льда. Выполнение патрубков для теплоносителя и хладагента с возможностью их подачи и отвода из кольцевой полости между наружной и внутренней стенками корпуса позволяет повысить эффективность теплопередачи в режимах замораживания и оттаивания. Выполнение угла наклона стенки вытеснителя и перегородки соответствующими углу наклона упомянутых стенок корпуса относительно его продольной оси направлено на создание кольцевых полостей с постоянной шириной по обеим сторонам от перегородки. Сочетание упомянутых общих и отличительных существенных признаков изобретения позволяет существенно повысить производительность устройства за счет интенсификации процессов замораживания воды и оттаивания льда и обеспечить высокое качество очищенной воды за один цикл работы системы очистки.The improved design of the heat exchange device for the water purification system by recrystallization ensures the achievement of the claimed technical result. In particular, the use in the design of the device of strips rigidly fixed on the inner wall of the housing radially to its surface makes it possible to significantly reduce the duration of thawing of the annular ice layer due to its segmentation in height and increase the efficiency of heat transfer from the inner wall of the housing. Equipment of the device with additional pipes for water, mounted on the bottom of the housing with the possibility of its supply to the cooling cavity and removal from the recirculation cavity, allows in the freezing mode to organize the circulation of contaminated water along the partition with the flow moving from top to bottom in the recirculation cavity and from bottom to top in the cooling cavity . Such an organization of circulation ensures the formation of different temperatures in two parts of the contaminated water flow during operation of the device: a higher flow temperature in the recirculation cavity and a lower temperature in the cooling cavity. The execution of the displacer in the form of a truncated cone, oriented with the opening angle upwards, and the execution of the partition with a similar shape makes it possible to form annular cavities with a constant width along the height of the partition and thereby ensure uniform formation of an annular crystallization front in the mode of freezing contaminated water and melting the outer surface of ice in the mode defrosting, which reduces the duration of the mentioned modes at given temperature parameters. The use of a displacer, the internal cavity of which is filled with a non-freezing coolant, and the location of a heating element in this cavity ensures uniform heat transfer from the heating element to the recirculation cavity, which makes it possible to maintain a higher water temperature in it compared to the cooling cavity and, due to this, shift it into the range of positive temperature, the onset of ice formation of heavy water. In defrost mode, this allows you to shorten the duration of ice melting. The execution of branch pipes for the coolant and refrigerant with the possibility of their supply and removal from the annular cavity between the outer and inner walls of the housing allows you to increase the efficiency of heat transfer in freezing and thawing modes. The implementation of the angle of inclination of the wall of the displacer and the baffle corresponding to the angle of inclination of the said walls of the housing relative to its longitudinal axis is aimed at creating annular cavities with a constant width on both sides of the baffle. The combination of the mentioned general and distinctive essential features of the invention makes it possible to significantly increase the productivity of the device due to the intensification of the processes of freezing water and thawing ice and to ensure high quality of purified water in one cycle of the purification system.

Схематическое изображение конструкции устройства представлено на фигурах чертежей, где на фиг. 1 показано поперечное сечение устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема системы очистки воды с использованием теплообменного устройства.A schematic representation of the design of the device is shown in the figures of the drawings, where in Fig. 1 shows a cross section of the device; in fig. 2 is a schematic diagram of a water purification system using a heat exchanger.

Устройство состоит (фиг. 1) из корпуса 1, вытеснителя 2, перегородки 3, планок 4, нагревательного элемента 5, коллектора 6 для подачи воздуха, крышки 7, датчика 8 уровня воды, патрубков 9 для подачи воды и 10 для ее слива в режиме замораживания, патрубка 11 для подачи загрязненной воды в режиме замораживания и слива воды в режиме оттаивания и патрубков 12 и 13 для подачи и отвода теплоносителя и хладагента.The device consists (Fig. 1) of a body 1, a displacer 2, a partition 3, slats 4, a heating element 5, a manifold 6 for supplying air, a cover 7, a water level sensor 8, pipes 9 for supplying water and 10 for draining it in the mode freezing, branch pipe 11 for supplying contaminated water in the freezing mode and draining water in the defrosting mode and branch pipes 12 and 13 for supplying and discharging the coolant and refrigerant.

Корпус 1 выполнен в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, и содержит наружную 14 и внутреннюю 15 стенки, образующие закрытую кольцевую полость 16 для циркуляции теплоносителя и хладагента, и днище 17. На внутренней 15 стенке радиально к ее поверхности жестко закреплены две или более планки 4, расположенные симметрично друг относительно друга. Толщина планок 4 составляет 0,5-2 мм при ширине не менее 10 мм. Планки 4 обеспечивают сегментацию внутренней 15 стенки на две или более одинаковых частей. Угол наклона упомянутых стенок 14 и 15 корпуса 1, количество планок 4 и их размеры выбирают экспериментальным путем с учетом размеров корпуса 1, характеристик очищаемой воды и толщины намораживаемого слоя льда.The body 1 is made in the form of a truncated cone, oriented upwards, and contains the outer 14 and inner 15 walls, forming a closed annular cavity 16 for the circulation of the coolant and refrigerant, and the bottom 17. On the inner wall 15, radially to its surface, two or more strips 4, located symmetrically with respect to each other. The thickness of the strips 4 is 0.5-2 mm with a width of at least 10 mm. Planks 4 provide segmentation of the inner wall 15 into two or more identical parts. The angle of inclination of said walls 14 and 15 of the housing 1, the number of strips 4 and their dimensions are chosen experimentally, taking into account the dimensions of the housing 1, the characteristics of the treated water and the thickness of the frozen ice layer.

Вытеснитель 2 выполнен в форме конуса, ориентированного углом раствора вверх, и посредством основания 18 закреплен на крышке 7. Внутренняя полость вытеснителя 2 заполнена незамерзающим теплоносителем, в качестве которого используют, например, разбавленный спирт. Вытеснитель 2 позволяет регулировать количество загрязненной воды, подаваемой в корпус 1, и, соответственно, продолжительность режимов замораживания и оттаивания, а также энергозатраты на их осуществление при работе устройства. Объем вытеснителя 2 выбирают с учетом характеристик очищаемой воды и назначения системы очистки. В рассматриваемом примере объем вытеснителя 2 составляет около 40% от внутреннего объема корпуса 1. Нагревательный элемент 5 находится во внутренней полости вытеснителя 2 и может быть выполнен в виде электронагревателя или трубчатого конденсатора хладагента.The displacer 2 is made in the form of a cone oriented with the angle of the solution upwards, and is fixed on the cover 7 by means of the base 18. The internal cavity of the displacer 2 is filled with a non-freezing coolant, which is used, for example, diluted alcohol. The displacer 2 allows you to control the amount of contaminated water supplied to the housing 1, and, accordingly, the duration of the freezing and thawing modes, as well as the energy consumption for their implementation during the operation of the device. The volume of the displacer 2 is selected taking into account the characteristics of the treated water and the purpose of the purification system. In the example under consideration, the volume of the displacer 2 is about 40% of the internal volume of the housing 1. The heating element 5 is located in the internal cavity of the displacer 2 and can be made in the form of an electric heater or a tubular refrigerant condenser.

Перегородка 3 выполнена в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, и закреплена между внутренней стенкой 15 корпуса 1 и вытеснителем 2 с образованием, соответственно, охлаждающей 19 и рециркуляционной 20 полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой 3 и над ней. Высота перегородки 3 составляет 0,8-0,9 от высоты корпуса 1, что обеспечивает возможность свободной циркуляции воды в режиме замораживания. При этом перегородка 3 ограничивает фронт кристаллизации воды достаточно узким пространством охлаждающей полости 19, что дополнительно уменьшает продолжительность режима замораживания. А расположение нагревательного элемента 5 внутри вытеснителя 2 конусной формы позволяет поддерживать разную температуру воды в полостях 19 и 20, что способствует ее циркуляции в режиме замораживания.The baffle 3 is made in the form of a truncated cone, oriented upwards by the opening angle, and is fixed between the inner wall 15 of the housing 1 and the displacer 2 to form, respectively, cooling 19 and recirculation 20 cavities communicating with each other through the water under the baffle 3 and above it. The height of the partition 3 is 0.8-0.9 of the height of the housing 1, which allows free circulation of water in the freezing mode. In this case, the partition 3 limits the water crystallization front to a rather narrow space of the cooling cavity 19, which further reduces the duration of the freezing mode. And the location of the heating element 5 inside the cone-shaped displacer 2 allows maintaining different water temperatures in the cavities 19 and 20, which contributes to its circulation in the freezing mode.

Угол наклона стенки вытеснителя 2 и перегородки 3 соответствует углу наклона наружной 14 и внутренней 15 стенок корпуса 1 относительно его продольной оси. Выполнение упомянутых элементов устройства под одинаковым углом позволяет обеспечить постоянную ширину охлаждающей 19 и рециркуляционной 20 полостей по их высоте и за счет этого создать условия для равномерного формирования кольцевого фронта кристаллизации загрязненной воды в режиме замораживания и последующего равномерного оттаивания слоя льда, образовавшегося на внутренней 15 стенке корпуса 1. Кроме этого, заполнение вытеснителя 2 незамерзающим теплоносителем обеспечивает более равномерную передачу тепла от нагревательного элемента 5 по объему вытеснителя 2, что позволяет поддерживать в рециркуляционной полости 20 более высокую температуру воды по сравнению с охлаждающей полостью 19 и за счет этого сместить в интервал положительных температур начало льдообразования тяжелой воды, а также интенсифицировать процесс таяния льда в режиме оттаивания.The angle of inclination of the wall of the displacer 2 and partitions 3 corresponds to the angle of inclination of the outer 14 and inner 15 walls of the housing 1 relative to its longitudinal axis. The implementation of the above elements of the device at the same angle allows you to ensure a constant width of the cooling 19 and recirculating 20 cavities along their height and thereby create conditions for the uniform formation of the annular front of contaminated water crystallization in the freezing mode and subsequent uniform thawing of the ice layer formed on the inner 15 wall of the housing 1. In addition, filling the displacer 2 with a non-freezing coolant provides a more uniform transfer of heat from the heating element 5 over the volume of the displacer 2, which makes it possible to maintain a higher water temperature in the recirculation cavity 20 compared to the cooling cavity 19 and, due to this, to shift into the range of positive temperatures the beginning of ice formation of heavy water, as well as to intensify the process of ice melting in the thawing mode.

На днище 17 корпуса 1 смонтированы патрубок 9 для подачи загрязненной воды в охлаждающую 19 полость и патрубок 10 для ее отвода в процессе циркуляции в режиме замораживания, а также патрубок 11, предназначенный для подачи загрязненной воды в режиме замораживания и слива грязной и чистой воды в режиме оттаивания. Коллектор 6 выполнен с возможностью подачи воздуха через крышку 7 в нижнюю часть охлаждающей 19 полости. На крышке 7 также смонтирован датчик 8 уровня воды.On the bottom 17 of the housing 1, a branch pipe 9 is mounted for supplying contaminated water to the cooling cavity 19 and a branch pipe 10 for its removal during circulation in the freezing mode, as well as a branch pipe 11 designed for supplying contaminated water in the freezing mode and draining dirty and clean water in the freezing mode. defrosting. The manifold 6 is configured to supply air through the cover 7 to the lower part of the cooling cavity 19. A water level sensor 8 is also mounted on the cover 7.

Патрубки 12 и 13 для подачи и отвода теплоносителя и хладагента смонтированы в верхней части корпуса 1 над кольцевой полостью 16. В зависимости от режима работы теплообменного устройства в упомянутой полости циркулирует либо кипящий хладагент - режим замораживания, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания.Branch pipes 12 and 13 for supplying and discharging the coolant and refrigerant are mounted in the upper part of the housing 1 above the annular cavity 16. Depending on the operating mode of the heat exchange device, either boiling refrigerant circulates in the said cavity - freezing mode, or condensing refrigerant - defrosting mode.

Наружная 14 и внутренняя 15 стенки корпуса 1, вытеснитель 2 и перегородка 3 выполнены из теплопроводящего материала. При этом перегородка 3 и внутренняя 15 стенка являются эквипотенциальными поверхностями: перегородка 3 - со знаком «плюс» или «минус», а внутренняя 15 стенка - со знаком, соответственно, «минус» или «плюс», в зависимости от режима работы. Наружные поверхности корпуса 1 выполнены с теплоизоляционным покрытием 21.The outer 14 and inner 15 walls of the housing 1, the displacer 2 and the partition 3 are made of a heat-conducting material. In this case, the partition 3 and the inner wall 15 are equipotential surfaces: the partition 3 is with a "plus" or "minus" sign, and the inner wall 15 is with a "minus" or "plus" sign, respectively, depending on the mode of operation. The outer surfaces of the housing 1 are made with a heat-insulating coating 21.

Работа теплообменного устройства поясняется на примере его использования в системе очистки воды.The operation of the heat exchange device is illustrated by the example of its use in a water purification system.

Система содержит, по меньшей мере (фиг. 2): блок управления 22, холодильную установку 23, воздушный компрессор 24, циркулярный насос 25, емкости 26 и 27, соответственно, для сброса концентрата загрязненной воды и для сбора очищенной воды, клапаны 28 и 29 для слива и подачи воды и клапан 30 для хладагента. Вышеуказанный состав системы очистки воды является условным и приведен исключительно для пояснения принципа работы теплообменного устройства в попеременных режимах замораживания и оттаивания. Блок управления 22 осуществляет автоматическое управление системой в режимах замораживания и оттаивания в соответствии с заданным алгоритмом.The system contains at least (Fig. 2): a control unit 22, a refrigeration unit 23, an air compressor 24, a circulation pump 25, tanks 26 and 27, respectively, for discharging contaminated water concentrate and collecting purified water, valves 28 and 29 for draining and supplying water and valve 30 for refrigerant. The above composition of the water purification system is conditional and is given solely to explain the principle of operation of the heat exchange device in alternating freezing and thawing modes. The control unit 22 performs automatic control of the system in the modes of freezing and thawing in accordance with a given algorithm.

В режиме замораживания начальная температура холодильной установки 23 соответствует интервалу от минус 18 °С до минус 40 °С. После охлаждения внутренней 15 стенки до температуры от 0 °С до плюс 7 °С внутрь корпуса 1 через клапан 29 и патрубок 9 подают загрязненную воду, предварительно очищенную от механических примесей. Затем блок управления 22 включает нагревательный элемент 5, который поддерживает температуру поверхностного слоя воды в интервале от плюс 3 °С до плюс 5 °С, и воздушный компрессор 24. После этого циркуляцию загрязненной воды вокруг перегородки 3 с движением потока снизу-вверх в охлаждающей 19 полости и сверху-вниз в рециркуляционной 20 полости осуществляют посредством воздушного компрессора 24 и циркулярного насоса 25 - через патрубки 9 и 10.In the freezing mode, the initial temperature of the refrigeration unit 23 corresponds to the interval from minus 18 °C to minus 40 °C. After cooling the inner wall 15 to a temperature from 0 °C to plus 7 °C, contaminated water, previously purified from mechanical impurities, is supplied inside the housing 1 through valve 29 and branch pipe 9. Then the control unit 22 turns on the heating element 5, which maintains the temperature of the surface layer of water in the range from plus 3 °C to plus 5 °C, and the air compressor 24. After that, the circulation of contaminated water around the partition 3 with the flow moving from bottom to top in the cooling 19 cavity and from top to bottom in the recirculation cavity 20 is carried out by means of an air compressor 24 and a circulation pump 25 through nozzles 9 and 10.

После снижения температуры загрязненной воды внутри корпуса 1 от плюс 2 °С до плюс 5 °С блок управления 22 меняет температурный режим холодильной установки 23, в результате чего температура внутренней 15 стенки снижается и поддерживается в интервале от минус 2 °С до минус 25 °С. При толщине слоя льда 2-4 мм температурный режим холодильной установки 23 переключается на интервал температур от минус 18 °С до минус 40 °С, который поддерживается до достижения толщины слоя льда 20-30 мм. В процессе циркуляции жидкий хладагент поступает в полость 16 через патрубок 12 и выводится через патрубок 13. После завершения формирования слоя льда заданной толщины блок управления 22 отключает холодильную установку 23 и воздушный компрессор 24, а также перекрывает клапан 30. При этом в нижней части корпуса 1 остается незамерзший остаток загрязненной воды в виде концентрата, содержащего большое количество примесей.After the temperature of the contaminated water inside the housing 1 decreases from plus 2 °C to plus 5 °C, the control unit 22 changes the temperature regime of the refrigeration unit 23, as a result of which the temperature of the inner wall 15 decreases and is maintained in the range from minus 2 °C to minus 25 °C . When the ice layer thickness is 2-4 mm, the temperature regime of the refrigeration unit 23 switches to the temperature range from minus 18 °C to minus 40 °C, which is maintained until the ice layer thickness reaches 20-30 mm. In the process of circulation, the liquid refrigerant enters the cavity 16 through the pipe 12 and is discharged through the pipe 13. After the formation of an ice layer of a given thickness is completed, the control unit 22 turns off the refrigeration unit 23 and the air compressor 24, and also closes the valve 30. At the same time, in the lower part of the housing 1 remains unfrozen residue of contaminated water in the form of a concentrate containing a large amount of impurities.

Приведенный алгоритм работы системы очистки воды в режиме замораживания позволяет сместить начало процесса льдообразования на внутренней стенке 15 корпуса 1 в интервал положительных температур загрязненной воды от 2 °С до 8 °С, при котором первоначально активно намораживается тяжелая вода. Продолжительность режима замораживания составляет от 10 до 60 мин.The above algorithm for the operation of the water purification system in the freezing mode makes it possible to shift the onset of the ice formation process on the inner wall 15 of housing 1 to the range of positive temperatures of polluted water from 2 °C to 8 °C, at which heavy water is initially actively frozen. The duration of the freezing mode is from 10 to 60 minutes.

Перед включением режима оттаивания по команде с блока управления 22 открывается клапан 28 и незамерзший жидкий концентрат загрязненной воды сливается в емкость 26 для последующей утилизации. Затем блок управления 22 переключает холодильную установку 23 на режим оттаивания и открывает клапан 30, через который по патрубку 12 в кольцевую полость 16 поступает теплоноситель и выводится из нее через патрубок 13. По мере нагревания внутренней 15 стенки корпуса 1 пристеночный слой льда толщиной 2-4 мм с повышенной концентрацией тяжелой воды начинает таять. Образовавшаяся при этом вода через клапан 28 сливается в емкость 26. После слива первой воды клапан 28 переключают в положение слива чистой талой воды, которая поступает в емкость 27. Одновременно включается нагревательный элемент 5, который посредством незамерзающего теплоносителя обеспечивает равномерную передачу тепла по объему вытеснителя 2. В результате дальнейшее нагревание слоя льда осуществляется с двух сторон: со стороны внутренней 15 стенки корпуса 1 и со стороны рециркуляционной 20 полости. Продолжительность режима оттаивания также сокращается за счет планок 4, которые сегментируют слой льда на внутренней 15 стенке и нагреваются вместе с ней. По мере таяния льда планки 4 способствуют его интенсивному разрушению и перемещению в нижнюю часть внутренней 15 стенки, где оттаивание протекает наиболее эффективно. Полный цикл очистки воды в теплообменном устройстве составляет от 20 до 120 мин., что существенно меньше, чем в известных технических решениях. При этом предварительное удаление первой талой воды, образовавшейся при таянии пристеночного слоя льда толщиной 2-4 мм, позволяет обеспечить необходимое качество чистой талой воды за один цикл перекристаллизации, что существенно повышает производительность устройства и снижает энергозатраты.Before turning on the defrosting mode, on command from the control unit 22, valve 28 opens and the unfrozen liquid concentrate of contaminated water is drained into container 26 for subsequent disposal. Then the control unit 22 switches the refrigeration unit 23 to the defrosting mode and opens the valve 30, through which the coolant enters the annular cavity 16 through the pipe 12 and leaves it through the pipe 13. mm with an increased concentration of heavy water begins to melt. The water formed in this case is drained through valve 28 into container 26. After draining the first water, valve 28 is switched to the position of draining clean melt water that enters container 27. At the same time, heating element 5 is turned on, which, by means of a non-freezing coolant, ensures uniform heat transfer throughout the volume of displacer 2 As a result, further heating of the ice layer is carried out from two sides: from the side of the inner 15 wall of the housing 1 and from the side of the recirculation 20 cavity. The duration of the defrosting mode is also reduced due to the strips 4, which segment the ice layer on the inner wall 15 and heat up along with it. As the ice melts, the strips 4 contribute to its intensive destruction and movement to the lower part of the inner wall 15, where thawing proceeds most efficiently. The complete cycle of water purification in the heat exchange device is from 20 to 120 minutes, which is significantly less than in the known technical solutions. At the same time, the preliminary removal of the first melt water formed during the melting of the near-wall ice layer with a thickness of 2-4 mm makes it possible to provide the required quality of pure melt water in one recrystallization cycle, which significantly increases the device performance and reduces energy costs.

Для ускорения процесса таяния льда возможно также дополнительное применение электрообогрева внутренней 15 стенки корпуса 1 (не показано).To speed up the process of melting ice, it is also possible to additionally use electric heating of the inner 15 wall of the housing 1 (not shown).

Повышение качества очистки воды достигается, в целом, за счет сочетания следующих факторов: протекания процесса кристаллизации загрязненной воды на стенке конической формы при одновременной интенсивной циркуляции, постоянной по высоте толщины фронта кристаллизации, поддержания в режиме замораживания разной температуры загрязненной воды в охлаждающей и рециркуляционной полостях, превентивного удаления талой воды, образовавшейся при таянии нижнего слоя льда с повышенным содержанием тяжелой воды и примесей.Improving the quality of water purification is achieved, in general, due to a combination of the following factors: the process of crystallization of contaminated water on a conical wall with simultaneous intensive circulation, constant along the height of the thickness of the crystallization front, maintaining different temperatures of contaminated water in the cooling and recirculation cavities in the freezing mode, preventive removal of melt water formed during the melting of the lower layer of ice with a high content of heavy water and impurities.

Для получения очищенной воды с дополнительными физическими свойствами дополнительно может использоваться эффект электролиза, который образуется между эквипотенциальными поверхностями перегородки 3 и внутренней стенки 15 при подключении их к внешнему источнику постоянного тока. При этом перегородку 3 подключают к положительному контакту, а стенку 15 - к отрицательному, или наоборот - с учетом смены режимов перекристаллизации. Электролиз позволяет изменить водородный показатель воды (рН) и величину окислительно-восстановительного потенциала воды.To obtain purified water with additional physical properties, the effect of electrolysis can be additionally used, which is formed between the equipotential surfaces of the partition 3 and the inner wall 15 when they are connected to an external DC source. In this case, the partition 3 is connected to the positive contact, and the wall 15 is connected to the negative one, or vice versa, taking into account the change in the recrystallization modes. Electrolysis allows you to change the pH of water (pH) and the value of the redox potential of water.

Заявляемая конструкция теплообменного устройства апробирована в системе с одним и двумя (работающими в противофазных режимах) теплообменными устройствами при очистке водопроводной, технической и засоленной воды. Результаты апробации подтвердили заявляемый технический результат. Сочетание в устройстве повышенной производительности и высокого качества очистки воды позволяет использовать его в системах подготовки и очистки воды с широким диапазоном загрязнений органическими и неорганическими веществами.The claimed design of the heat exchange device has been tested in a system with one and two (operating in antiphase modes) heat exchange devices in the purification of tap, technical and saline water. The test results confirmed the claimed technical result. The combination in the device of increased productivity and high quality of water purification allows it to be used in water treatment and purification systems with a wide range of organic and inorganic contamination.

Claims

1. A heat exchange device for a water purification system by recrystallization, containing a housing with outer and inner walls, oriented upwards, as well as with a bottom and a locking lid, in which are located:

- a displacer made in the form of a cone oriented upwards, with the possibility of adjusting the amount of contaminated water supplied to the housing, the duration of the water freezing and ice thawing modes;

- a partition made in the form of a truncated cone, oriented by the angle of the solution upwards and located between the inner wall of the housing and the displacer with the formation, respectively, of the cooling and recirculating annular cavities, communicating with each other through the water above and below the partition;

- a heating element located in the internal cavity of the displacer and configured to maintain the temperature of the surface layer of water in a predetermined interval;

- an air supply manifold mounted with the possibility of supplying air to the lower part of the cooling cavity;

- a set of nozzles for supplying and discharging water, mounted on the bottom of the housing and configured to supply water to the cooling cavity and drain from the recirculation cavity;

- a refrigerant configured to be fed into the annular cavity between the outer and inner walls of the housing and removed from said cavity by means of nozzles;

- straps rigidly fixed on the inner wall of the housing radially to its surface.

2. The heat exchange device according to claim. 1, characterized in that the angle of inclination of said walls of the housing relative to the longitudinal axis of the housing is from 18° to 72°.

3. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the annular cavity between the outer and inner walls of the housing is filled with a non-freezing heat-conducting liquid.

4. The heat exchange device according to claim. 1, characterized in that the height of the partition is from 0.8 to 0.9 of the height of the body.

5. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the volume of the displacer is from 10% to 70% of the internal volume of the housing.

6. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the strips are rigidly fixed on the inner wall of the housing symmetrically with respect to each other, and their length is from 0.8 to 0.9 of the length of the mentioned housing wall.

7. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the internal cavity of the displacer is filled with a non-freezing heat-conducting liquid.

8. The heat exchange device according to claim. 1, characterized in that the angle of inclination of the displacer and the baffle corresponds to the angle of inclination of the inner wall of the housing relative to the longitudinal axis.

9. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the heating element is made in the form of an electric heater or a tubular refrigerant heat exchanger.

10. A heat exchanger for a water purification system by recrystallization, containing a housing with outer and inner walls, oriented upwards, with a bottom and a locking lid, in which are located:

- a baffle made in the form of a truncated cone, oriented by the opening angle upwards, and located between the inner wall of the housing and the displacer with the formation of cooling and recirculating annular cavities, respectively, communicating with each other through the water above and below the baffle;

- a coolant configured to be fed into the annular cavity between the outer and inner walls of the housing and removed from said cavity by means of branch pipes;