БЫТОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
DOMESTIC DEVICE FOR WATER DISINFECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам для обеззараживания (стерилизации) воды, а именно обеззараживания потока воды физическими методами, конкретно - к бытовым аппаратам для получения кипяченой питьевой воды, может быть использовано для получения холодной кипяченой питьевой воды путем стерилизации водопроводной воды.
Основное назначение аппарата - получение холодной кипяченой воды с наименьшими затратами времени и энергии.
Уровень техники
Известны способы обеззараживания питьевой воды химическими и физическими методами. К физическим относятся ультрафиолетовое облучение, ультразвуковая обработка воды, температурная обработка. Аппараты для реализации обеззараживания воды делятся на промышленные и бытовые.
Известны бытовые устройства схожего назначения - кулеры, электрические чайники, кипятильники, водогрейные колонки (титаны), бытовые проточные водонагреватели и другие.
Наибольшее распространение имеют электрические чайники. Электрические чайники состоят из сосуда, обычно емкостью 1.5-2 литра, со встроенным нагревателем типа ТЭН и управляющими и предохранительными устройствами (например, Electric kettle with foam heat preservation layer. Патент CN103735154 (A), 2014.04.23). Для достижения обозначенной цели, т.е. получения холодной кипяченой воды, с помощью электрического чайника требуется осуществить следующую последовательность действий: налить воду в чайник, вскипятить ее, охладить воду. Затраты электроэнергии превышают 100 ккал на 1 литр воды, а время на охлаждение составляет около 1 часа.
Недостатками этого типа устройств, с точки зрения ограниченной задачи обеззараживания воды, является высокий расход энергии и значительное время охлаждения или высокая температура воды по окончании процесса.
Известны также устройства-кулеры, предназначенные для приготовления и розлива холодной и горячей питьевой воды. Эти устройства используют готовую питьевую воду и не предназначены для обеззараживания воды путем кипячения. Максимальная температура нагрева воды в них не превышает 95°С. Причем нагретая вода разливается горячей, холодная не подвергается обработке высокой температурой. Пример - LC-AEL-280b, описание на сайте http://www.cooler-ok.ru/index.php?ukey=auxpage_instrukcii-k-kuleram-dlja-vody.
Известное устройство требует готовой питьевой воды и не решает поставленную задачу - обеззараживание водопроводной воды.
Известны также устройства для быстрой пастеризации молока путем краткосрочного нагрева. Устройства включают трубопровод, по которому с постоянной скоростью движется поток жидкости (молока), и СВЧ-излучатели. СВЧ-излучатели обеспечивают быстрый и равномерный прогрев молока в непрерывном потоке (патент РФ №2101884; патент RU 2118886).
Недостатком устройства для бытовых целей стерилизации воды является высокий расход энергии и вредное электромагнитное излучение, а также высокая стоимость СВЧ-излучателей.
Известны аппараты, решающие задачу полностью автоматической тепловой стерилизации воды (CN 2933223 (Y), 2007.08.15), включающие резервуары для теплой и горячей воды, котлы с электрическим нагревателем, водопроводные каналы и краны, реле уровня теплой и холодной воды, электромагнитные клапаны горячей и холодной воды, систему автоматического управления, датчики температуры, генератор озона и многое другое. Это устройство обеспечивает стерилизацию воды при различных уровнях атмосферного давлении, то есть решает поставленную задачу, но сложно, громоздко и дорого, что ограничивает возможность его применения в быту.
За прототип принят бытовой прибор - электрический проточный нагреватель воды. Подобные устройства во множестве вариантов присутствуют на рынке, например водонагреватель ATMOR BASIC или Novel household water heater, патент CN 203413807 (U), 2014.01.29, устройство описано на сайте «Теплота» (http://teplota.kh.ua/01/kak-ustroen-protochnik-thermex-stream-vnutrennee-ustrojstvo-protochnogo-vodonagrevatelya-termeks/), или устройство по патенту CN 203413807 (U) - 2014-01-29.
Устройства предназначены для подогрева потока воды в бытовых условиях. Включают канал для потока воды, подключение к водопроводу, электронагреватель, установленный на или в канале водовода, автомат включения-отключения нагревателя, предохранитель от перегрева. Устройство работает следующим образом. При отсутствии потока воды в канале устройства или отсутствии давления в водоводе нагреватель отключен, и устройство находится в нерабочем состоянии. Если по каналу движется вода, то автомат включает нагреватель, и на выходе из канала температура воды поднимается. При перекрытии потока нагреватель отключается, и подогреватель переходит в "ждущее" состояние.
Эти устройства наиболее близки по технической сущности, но не предназначены для нагрева воды выше 90°С и не могут быть использованы для температурной стерилизации водопроводной воды.
Раскрытие изобретения
Устройство, являющееся объектом настоящего изобретения, предназначено для получения в бытовых условиях потока холодной или теплой воды, стерилизованной путем нагрева до температуры выше 100°С, с минимальными затратами энергии и времени.
Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного технического решения устройство содержит рекуперативный противоточный теплообменник, каналы которого соединены через перегреватель, как показано на чертеже. Конструктивно устройство выполнено в виде теплообменника труба в трубе или пластинчатого теплообменника, входящий канал служит для подогрева поступающей из водопровода воды, а исходящий служит для охлаждения стерилизованной воды и имеет сужение на участке между теплообменной зоной и выходом из устройства, а также перегреватель небольшой мощности, расположенный между подогревающей и теплосъемной частями теплообменника. Сужение может быть выполнено в виде диафрагмы, капилляра, вентиля, крана или их комбинации. Для безопасности устройство дополняет регулятор температуры перегревателя, датчик потока воды, связанный с выключателем нагревателя. Для увеличения эффективности теплообменника типа труба в трубе при ограниченных габаритах изделия внутренний объем теплообменника заполнен гранулированным материалом с хорошей теплопроводностью. Могут быть использованы медь, серебро или, например, графит. Хороший результат дают посеребренные медные шарики, подпрессованные в трубе и межтрубном пространстве теплообменника так, что в точках контакта шариков между собой и шариков со стенками площадь контакта увеличена за счет пластической деформации материала.
Устройство работает следующим образом. Холодная вода подается в рекуперационный теплообменник, например, типа труба в трубе. В теплообменнике организована теплопередача между встречно направленными потоками, с минимальной разностью температур между ними. На выходе из первого, по ходу потока воды, канала теплообменника подогретый поток воды попадает в перегреватель, к которому подводится тепло от электрического нагревателя. Благодаря сужению давление в перегревателе выше атмосферного и приближается к давлению воды в водопроводе. В перегревателе температура воды поднимается немного выше 100°С, при этом вода стерилизуется. Затем горячая вода отдает тепло во втором канале вышеописанного теплообменника.
На чертеже представлен простейший вариант реализации устройства, включающий теплообменник 1, перегревательную камеру 2 с электрическим нагревателем 3, подводящий водопровод 5, кран 6, сужение канала в виде капилляра 7, управляющую аппаратуру в составе терморегулятора 8 и датчика потока 9 в виде дифференциального манометра, связанного с электрическим реле. Каналы теплообменника заполнены насадкой 4, обладающей высокой теплопроводностью.
Конструктивно устройство схоже с прототипом, но отличается выполняемой задачей и наличием рекуперационного теплообменника со встречными потоками теплоносителя, предназначенного не только для экономии энергии, но и для охлаждения обеззараженной воды. Дополнительные отличия - это сужение перед теплообменником или перед перегревателем для предотвращения гидроударов в водопроводе, дополнительный объем, расположенный после перегревателя для увеличения времени стерилизации, не менее одного сужения после перегревателя для предотвращения выбросов пара, гидроударов и для стабилизации скорости потока. Датчик потока воды может быть выполнен в виде дифференциального манометра, включенного между входом первого канала теплообменника и выходом второго канала и связанного с электрическим реле. Теплоизоляция вокруг теплообменника и перегревателя обеспечивает высокую энергетическую эффективность устройства.
Для обеспечения высокой экономичности устройства и низкой температуры воды на выходе желательно добиться разности температур между каналами теплообменника на более 5°С. Эффективность теплообмена может быть повышена увеличинием поверхности теплопередачи путем заполнения каналов теплообменника насадкой из гранул вещества с высокой теплопроводностью. Из металлов можно использовать медь или серебро. Использование серебра приводит к значительному увеличению стоимости изделия, поэтому компромиссным вариантом может служить медь, покрытая серебром. Ионы серебра благотворно влияют на питьевую воду, предотвращая развитие в ней микроорганизмов различной природы. Насадка из покрытых серебром гранул меди решает две задачи - увеличение эффективности теплообменника и увеличение срока годности прошедшей обеззараживание воды. Подпрессовка насадки позволяет увеличить эффективную поверхность теплопередачи между гранулами и улучшает работу теплообменника.