СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ
SYSTEM OF WATER PURIFICATION BY RECRYSTALLISATION AND HEAT EXCHANGE DEVICE FOR SYSTEM

Изобретение относится к системам очистки воды и используемым в них теплообменным устройствам, в частности к системам с двух- и многоступенчатыми схемами перекристаллизации, и может использоваться в быту, пищевой промышленности, на предприятиях общественного питания и в медицине для очистки загрязненной и морской воды.
Известна система очистки воды методом перекристаллизации и теплообменное устройство для ее реализации (патент № ЕА 024321, МПК-2006.01 C02F 1/22, дата публикации 29.05.2015), состоящая из двух теплообменных устройств, содержащих по одной камере для замораживания воды и оттаивания льда, контура циркуляции воды, соединенного с камерами теплообменных устройств, средство для замораживания воды и оттаивания льда и средство управления и контроля. Контур циркуляции воды содержит средство для подачи исходной воды с гидравлическим насосом, средство для слива концентрата загрязненной воды, средство для слива чистой воды, емкости для концентрата загрязненной воды, емкости для чистой воды, средство для подачи чистой воды потребителю и средство для слива неиспользованной чистой воды. Контур циркуляции воды соединен с камерами теплообменных устройств с возможностью очистки воды за один цикл перекристаллизации в каждой камере. Теплообменные устройства выполнены в форме прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой камерой. Средство для замораживания воды и оттаивания льда выполнено в виде термоэлементов охлаждения и нагрева, смонтированных на наружной поверхности теплообменных устройств. Средство управления и контроля содержит пульт управления с микропроцессором и связанные с ним платы управления, регулирующие клапаны и датчики уровня воды. Средство управления и контроля выполнено с возможностью одновременного замораживания воды и оттаивания льда в камерах теплообменных устройств. Система предназначена для использования в быту, пищевой промышленности и медицине.
Недостатками известной системы являются:
- сравнительно высокие затраты на очистку воды, обусловленные непроизводительными потерями тепловой энергии, выделяемой при замораживании воды и оттаивании льда в камерах теплообменных устройств;
- сравнительно большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность, обусловленная использованием теплообменных устройств, в которых при замораживании исходной воды практически отсутствуют конвективные процессы, сокращающие продолжительность льдообразования при одновременном улучшении качества намораживаемого льда;
2
- сравнительно низкое качество очистки воды, обусловленное получением ее за один цикл перекристаллизации в каждой камере, при которой из очищенной воды не удаляется тяжелая вода (ДО) и часть тонких взвесей и примесей.
Вышеуказанные недостатки ограничивают функциональные возможности системы.
Известна система очистки воды методом перекристаллизации (патент № WO 2015111405, МПК-2006.01 C02F 1/22, B01D 9/04, F25B 1/00, F25B 40/04, дата публикации 30.07.2015), состоящая из двух теплообменных устройств, содержащих по две камеры для замораживания воды и оттаивания льда и охлаждающие и нагревательные элементы, контура циркуляции воды, соединенного с камерами теплообменных устройств с возможностью слива предварительно очищенной воды из одной камеры и подачи ее для окончательной очистки в другую камеру, контура циркуляции хладагента, соединенного с охлаждающими и нагревательными элементами с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в камерах теплообменных устройств и передачи тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в 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. Контур циркуляции воды содержит средство для подачи исходной воды, средство для слива концентрата загрязненной воды, средство для слива чистой воды, емкость для концентрата загрязненной воды, емкость для чистой воды и насос для подачи чистой воды в упомянутую емкость. Контур циркуляции хладагента содержит компрессор, по меньшей мере, один конденсатор с водяным охлаждением, связанный по теплообмену с емкостью для концентрата загрязненной воды после ее слива из камер теплообменных устройств, по меньшей мере, два теплообменных регенератора, фильтр хладагента и расширительный клапан, соединенный с входами и выходами охлаждающих и нагревательных элементов. Средство управления и контроля содержит контроллер и связанные с ним регулирующие клапаны для изменения направления потоков воды и хладагента в упомянутых контурах.
Недостатками известной системы являются:
- сложное конструктивное выполнение контура циркуляции воды, обусловленное использованием теплообменных устройств с двумя камерами, что вызывает необходимость в средствах для принудительной циркуляции воды, регулирования давления в контуре и параллельной подачи в камеры и слива из камер;
- сравнительно низкое качество очистки воды, обусловленное получением чистой воды без выделения из нее тяжелой воды.
Вышеуказанные недостатки ограничивают функциональные возможности системы и увеличивают затраты на ее эксплуатацию при сравнительно невысоком качестве очистки воды.
Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА 017783, МПК-2006.01 C02F 1/22, дата публикации 30.01.2013), состоящее из корпуса с камерой для замораживания воды и оттаивания льда, средства для перемешивания воды, сливного патрубка, охлаждающих и нагревательных элементов и теплоизолирующего покрытия. Охлаждающие и нагревательные элементы закреплены на наружной поверхности корпуса, и выполнены, соответственно, в виде испарителя и в виде электронагревателя. Упомянутые элементы закрыты теплоизолирующим покрытием. Патрубок для слива воды расположен на стенке в нижней части корпуса. Средство для перемешивания воды выполнено в виде водяной помпы или лопастей механической мешалки, смонтированной в центре днища. В системе очистки воды теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания исходной воды с образованием чистого пристеночного льда на внутренней поверхности корпуса и в режиме оттаивания льда со сливом образовавшейся чистой воды через патрубок. Средство для перемешивания воды используют в режиме замораживания исходной воды после формирования тонкого слоя льда на стенках корпуса для повышения интенсивности охлаждения воды и ускорения процесса образования льда. Перемешивание исходной воды способствует также удалению с поверхности льда пузырьков воздуха и сорбированных на них частиц примесей, отводу растворенных в воде примесей с границы раздела фаз, а также повышению интенсивности теплообмена внутри корпуса.
Недостатком известного технического решения является большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность теплообменного устройства, обусловленные недостаточно рациональной геометрией камеры, из-за чего в режиме замораживания формирование льда происходит не только на поверхности корпуса, но и в объеме находящейся в нем исходной воды, в результате чего передача энергии от стенок корпуса к объему воды замедляется пропорционально увеличению толщины намораживаемого слоя льда. Кроме этого, по мере увеличения толщины льда на поверхности корпуса снижается интенсивность процесса вытеснения примесей на границе «лед-вода», что снижает качество очистки воды.
Известно теплообменное устройство (варианты) для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА 025716, МПК-2006.01 C02F 1/22, C02F 9/02, C02F 103/04, дата публикации 30.01.2017), состоящее из внешнего и внутреннего корпусов и охлаждающего и нагревательного элементов, закрепленных на внешнем корпусе с наружной стороны. Внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания крышкой. По одному из вариантов внешний и внутренний корпусы выполнены цилиндрической формы, по другому - оба корпуса выполнены в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх. В обоих вариантах внутренний корпус расположен во внешнем корпусе вдоль его продольной оси с образованием кольцевой камеры между их стенками. Внутренний корпус цилиндрической формы выполнен с закрытыми торцами и закреплен на вертикальной стойке с образованием зазора между его нижним торцом и днищем внешнего корпуса. Внутренний корпус в форме усеченного конуса выполнен с закрытыми торцами и закреплен на крышке с образованием зазора между его нижним торцом и днищем внешнего корпуса. Последнее выполнено куполообразным с понижением от стенок к центру, где расположен сливной патрубок. Охлаждающий элемент выполнен в виде испарителя, а нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя. Упомянутые элементы закреплены на наружной поверхности внешнего корпуса и покрыты слоем термоизоляции.
В системе очистки воды теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания исходной воды с образованием чистого пристеночного льда на внутренней поверхности внешнего корпуса и в режиме оттаивания льда со сливом образовавшейся чистой воды. Наличие кольцевой камеры позволяет в режиме замораживания воды сузить зону формирования фронта кристаллизации исходной воды и уменьшить продолжительность этого режима. Выполнение внешнего корпуса в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх, дополнительно повышает эффективность процессов теплопередачи и обеспечивает более плотный контакт слоя льда с внутренней поверхностью внешнего корпуса в режиме оттаивания льда, что улучшает производительность устройства и качество очищенной воды. Вышеуказанные конструктивные особенности теплообменных устройств позволили увеличить их производительность в среднем на 25% по сравнению с устройством по патенту № ЕА 017783 при примерно одинаковом процентном выходе очищенной воды и ее качестве.
Недостатком теплообменных устройств по патенту № ЕА 025716 является сравнительно большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность, обусловленные тем, что в режиме замораживания в кольцевой камере практически отсутствуют конвективные процессы в воде. При этом продолжительность режима оттаивания изменяется несущественно по сравнению с устройством по патенту № ЕА 017783. Кроме этого, отсутствие конвективных процессов в загрязненной воде существенно снижает качество льда, намораживаемого на стенку внешнего корпуса, и, соответственно, качество очищенной талой воды.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствования системы очистки воды методом перекристаллизации за счет иного выполнения теплообменных устройств и связанных с ними контуров циркуляции воды и хладагента и средства управления и контроля, обеспечивающих расширение функциональных возможностей и повышение производительности при сравнительно невысокой стоимости эксплуатации.
Технический результат от реализации поставленной задачи заключается в существенном уменьшении продолжительности режимов замораживания исходной воды и оттаивания льда за счет иного расположения теплообменных устройств в системе, иного выполнения в них камер для замораживания воды и оттаивания льда и иного их соединения с контурами циркуляции воды и хладагента и средствами управления и контроля. Указанный технический результат достигается при одновременном существенном упрощении контура циркуляции воды, повышении качества очистки воды и снижении эксплуатационных затрат на очистку воды. В целом заявляемый технический результат позволяет расширить функциональные возможности системы.
Поставленная задача решается тем, что в системе очистки воды методом перекристаллизации, состоящей из по меньшей мере двух теплообменных устройств, содержащих камеры для замораживания воды и оттаивания льда и охлаждающие и нагревательные элементы, контура циркуляции воды, соединенного с камерами теплообменных устройств с возможностью слива предварительно очищенной воды из одной камеры и подачи ее для окончательной очистки в другую камеру, контура циркуляции хладагента, соединенного с охлаждающими и нагревательными элементами с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в камерах теплообменных устройств и передачи тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в 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, при этом контур циркуляции воды содержит средство для подачи исходной воды, средство для слива концентрата загрязненной воды, средство для слива предварительно очищенной воды, средство для слива чистой воды, емкость для чистой воды и емкость для концентрата загрязненной воды, а контур циркуляции хладагента содержит компрессор, конденсатор с водяным охлаждением, связанный по теплообмену с емкостью для концентрата загрязненной воды после ее слива из камер теплообменных устройств и два теплообменника, согласно изобретению теплообменные устройства расположены каскадом одно под другим и содержат по одной камере, выполненной с возможностью ее деления на сообщающиеся между собой по воде охлаждающую и рециркуляционную полости, циркуляции воды между упомянутыми полостями и образования эквипотенциальных поверхностей в охлаждающей полости при замораживании воды, контур циркуляции хладагента содержит дополнительный конденсатор с воздушным охлаждением, соединенный на входе и на выходе соответственно с выходом компрессора и со входом конденсатора с водяным охлаждением, при этом первый теплообменник на входе соединен со входами и выходами охлаждающих и нагревательных элементов, а на выходе соединен со входом второго теплообменника, выход которого связан по теплообмену с емкостью для чистой воды и соединен с входом компрессора, камера верхнего теплообменного устройства на входе соединена со средством для подачи исходной воды и на выходе соединена со средством для слива концентрата загрязненной воды и средством для слива предварительно очищенной воды, а камера нижнего теплообменного устройства на входе соединена со средством для слива предварительно очищенной воды из камеры верхнего теплообменного устройства и на выходе соединена со средством для слива концентрата загрязненной воды и средством для слива чистой воды.
Предпочтительно, чтобы средство управления и контроля было выполнено с дополнительной возможностью разделения исходной воды в камере верхнего теплообменного устройства на тяжелую и легкую воду, при этом тяжелую воду удаляют посредством средства для слива концентрата загрязненной воды, а легкую воду подают в камеру нижнего теплообменного устройства посредством средства для слива предварительно очищенной воды.
Предпочтительно также, чтобы средство управления и контроля содержало контроллер и связанные с ним регулирующие клапаны, смонтированные в контурах циркуляции воды и хладагента, датчики температуры, смонтированные на входах и выходах охлаждающих и нагревательных элементов и внутри емкости для чистой воды, и датчик уровня воды, смонтированный внутри емкости для чистой воды, при этом регулирующие клапаны были выполнены в виде электромагнитных клапанов для воды и хладагента.
Предпочтительно также, чтобы система была выполнена с теплообменным аккумулятором, связанным по теплообмену с исходной водой по ходу в камеру верхнего теплообменного устройства и с концентратом загрязненной воды и чистой водой по их ходу из камеры нижнего теплообменного устройства, а конденсатор с водяным охлаждением дополнительно связан по теплообмену с чистой водой по ходу из теплообменного аккумулятора.
Предпочтительно также, чтобы средство для подачи исходной воды содержало по ходу в камеру верхнего теплообменного устройства теплообменный элемент, расположенный в тепловом аккумуляторе, и фильтр грубой очистки, средство для слива концентрата загрязненной воды содержало по ходу из камеры верхнего теплообменного устройства емкость для концентрата загрязненной воды, связанную по теплообмену с конденсатором с водяным охлаждением, и патрубок для слива в канализацию, средство для слива концентрата загрязненной воды и средство для слива чистой воды были выполнены с общим выходом из камеры нижнего теплообменного устройства и содержали по ходу из упомянутой камеры общий теплообменный элемент в теплообменном аккумуляторе, и далее по ходу концентрата загрязненной воды содержали упомянутую емкость для концентрата загрязненной воды и патрубок для слива в канализацию, а по ходу чистой воды содержали второй теплообменный элемент, расположенный в конденсаторе с водяным охлаждением, фильтр тонкой очистки и бактерицидную лампу, а емкость для чистой воды содержала запорный вентиль для регулирования подачи воды потребителю.
Поставленная задача решается тем, что теплообменное устройство для реализации системы, состоящее из внешнего корпуса и внутреннего корпуса, расположенного во внешнем корпусе вдоль его продольной оси с образованием камеры между их стенками, и охлаждающих и нагревательных элементов, закрепленных на внешнем корпусе, при этом внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами, а внешний корпус содержит по меньшей мере один сливной патрубок и выполнен с теплоизоляцией наружной поверхности и с возможностью запирания крышкой, согласно изобретению дополнительно содержит перегородку цилиндрической формы, закрепленную в упомянутой камере с образованием соответственно охлаждающей и рециркуляционной полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой и над ней, нагревательный элемент и средство для подачи воздуха, при этом внутренний корпус выполнен цилиндрической формы, перегородка расположена соосно с внешним и внутренним корпусами, средство для подачи воздуха смонтировано на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, а нагревательный элемент закреплен в верхней части внутреннего корпуса.
Предпочтительно, чтобы в теплообменном устройстве внешний корпус был выполнен цилиндрической формы.
Предпочтительно, чтобы в теплообменном устройстве внешний корпус был выполнен в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх.
Предпочтительно также, чтобы в теплообменном устройстве внешний корпус был выполнен с дополнительной внутренней стенкой, форма и высота которой соответствуют внешнему корпусу, охлаждающие и нагревательные элементы были расположены между упомянутыми стенками, а высота перегородки составляла 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса.
Предпочтительно также, чтобы перегородка и внутренняя стенка корпуса были выполнены с возможностью подключения к источнику тока.
Усовершенствованная конструкция системы очистки воды методом перекристаллизации обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, расположение теплообменных устройств каскадом один под другим и их выполнение с одной камерой для замораживания воды и оттаивания льда позволяет существенно упростить схему контура циркуляции воды по сравнению с известным техническим решением за счет исключения средства для принудительной циркуляции и параллельного соединения камер. Выполнение камер с возможностью разделения воды на сообщающиеся между собой охлаждающую и рециркуляционную полости и с возможностью циркуляции воды между упомянутыми полостями позволяет повысить интенсивность конвективных процессов в режиме замораживания и одновременно улучшить качество льда на внутренней поверхности корпуса и, соответственно, улучшить качество очищенной воды, полученной в результате его оттаивания. Кроме этого, выполнение камер с возможностью разделения воды на сообщающиеся между собой охлаждающую и рециркуляционную полости позволяет сузить зону формирования кольцевого фронта кристаллизации воды и за счет этого уменьшить продолжительность режима замораживания. Возможность образования эквипотенциальных поверхностей в охлаждающей полости позволяет использовать при замораживании воды дополнительный эффект электролиза и за счет этого существенно улучшить качество льда. Выполнение контура циркуляции хладагента с дополнительными конденсатором с воздушным охлаждением и новыми взаимосвязями теплообменников направлены на реализацию заявляемой системы и одновременно позволяют уменьшить непроизводительные потери тепловой энергии, выделяемой при замораживании воды и оттаивании льда в камерах теплообменных устройств, и, соответственно, уменьшить эксплуатационные затраты на очистку воды.
Усовершенствованная конструкция теплообменного устройства обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, выполнение кольцевой камеры с перегородкой цилиндрической формы, закрепленной с образованием охлаждающей и рециркуляционной полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой и над ней, позволяет повысить эффективность передачи энергии от стенок внешнего корпуса к объему воды, что сокращает продолжительность режима замораживания. Одновременно это позволяет увеличить объем внешнего корпуса и, соответственно, объем выхода чистой воды за один цикл очистки. Использование нагревательного элемента, закрепленного в верхней части внутреннего корпуса, и коллектора для подачи воздуха, смонтированного на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, позволяет повысить интенсивность конвективных процессов в воде и за счет этого дополнительно уменьшить продолжительность процесса образования льда. При этом повышение интенсивности конвективных процессов одновременно улучшает качество льда на внутренней поверхности внешнего корпуса и, соответственно, качество очищенной воды, полученной в результате оттаивания такого льда.
Схематическое изображение системы очистки воды методом перекристаллизации и вариантов конструкции теплообменного устройства представлено на фигурах чертежей, где на фиг. 1 показана принципиальная схема системы; на фиг. 2 - схема теплообменного устройства с внешним корпусом цилиндрической формы (вариант 1); на фиг. 3 - схема теплообменного устройства с внешним корпусом в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх (вариант 2).
Система состоит (фиг. 1) из верхнего 1 и нижнего 2 теплообменных устройств, расположенных каскадом друг относительно друга, контура циркуляции воды 3 (изображен сплошными толстыми линиями), контура циркуляции хладагента 4 (изображен сплошными тонкими линиями) и средств управления и контроля 5 (изображены пунктирными линиями).
Теплообменные устройства 1 и 2 (изображены схематично) содержат, соответственно, камеры 6 и 7 для попеременного замораживания воды и оттаивания льда и охлаждающие и нагревательные элементы 8 и 9.
Контур циркуляции воды 3 содержит средство для подачи исходной воды в камеру 6, средство для слива концентрата загрязненной воды из камер 6 и 7, средство для слива предварительно очищенной воды из камеры 6 в камеру 7, средства для слива концентрата загрязненной воды из камер 6 и 7, средство для слива чистой воды из камеры 7 и емкость 10 для чистой воды. Упомянутые средства выполнены в виде участков труб (не обозначены) со смонтированными на них приборами. Средство для подачи исходной воды в камеру 6 содержит бактерицидную лампу 11 и фильтр грубой очистки 12. Средство для слива концентрата загрязненной воды из камер 6 и 7 содержит емкость 13 для концентрата загрязненной воды, связанную по теплообмену с контуром циркуляции хладагента 4, и патрубок 14 для слива в канализацию. Средство для слива предварительно очищенной воды из камеры 6 в камеру 7 выполнено в виде ответвления от средства для слива концентрата загрязненной воды из камеры 6. Средство для слива чистой воды из камеры 7 содержит теплообменный элемент 15, выполненный в виде змеевика или оребренной трубки, расположенной в емкости 13 для концентрата загрязненной воды, и фильтр тонкой очистки 16. Емкость 10 содержит запорный вентиль 17 для регулирования подачи чистой воды потребителю.
Контур циркуляции хладагента 4 содержит охлаждающие и нагревательные элементы 8 и 9, связанные по теплообмену с камерами, соответственно, 6 и 7, компрессор 18, выход которого соединен последовательно с конденсатором с воздушным охлаждением 19 и конденсатором с водяным охлаждением 20, и теплообменники 21 и 22. Теплообменник 21 на входе соединен со входами и выходами (не обозначены) охлаждающих и нагревательных элементов 8 и 9, а на выходе соединен со входом теплообменника 22, связанного по теплообмену с емкостью 10 для чистой воды, выход которого, в свою очередь, соединен с компрессором 18. Кроме этого, на входе в охлаждающие и нагревательные элементы 9 расположена дросселирующая капиллярная трубка 23. Конденсатор с водяным охлаждением 20 связан по теплообмену с емкостью 13 для концентрата загрязненной воды и теплообменным элементом 15. Контур циркуляции хладагента 4 соединен с охлаждающими и нагревательными элементами 8 и 9 с возможностью попеременного замораживания воды и оттаивания льда в камерах 6 и 7 и передачи тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в камеру для оттаивания льда.
Средство управления и контроля 5 содержит контроллер 24 с пультом управления (не показан) и связанные с ним датчики температуры 25 и 26, смонтированные, соответственно, на входах и выходах охлаждающих и нагревательных элементов 8 и 9 и внутри емкости 10, датчик уровня воды 27, смонтированный внутри упомянутой емкости 10, и электромагнитные клапаны, смонтированные в контурах циркуляции воды 3 и хладагента 4. В контуре циркуляции воды 3 смонтированы: клапан 28 - для регулирования подачи исходной воды в теплообменную камеру 6, клапаны 29 и 30 - для разделения слива концентрата загрязненной воды и предварительно очищенной воды из камеры 6, клапаны 31 и 32 - для разделения слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из камеры 7. В контуре циркуляции хладагента 4 смонтированы: клапаны 33-37 для изменения направления потоков хладагента в охлаждающих и нагревательных элементах 8 и 9 в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда, терморегулирующий клапан 38 для регулирования температуры хладагента (повышения или понижения) в соответствии с алгоритмом работы системы и клапаны 39 и 40 для контроля давления хладагента на входе и выходе компрессора 18.
В контуре циркуляции воды 3 система также содержит теплообменный аккумулятор холода 41, смонтированный под нижним теплообменным устройством 2 и связанный по теплообмену с исходной водой по ее ходу после фильтра грубой очистки 12 в камеру 6 верхнего теплообменного устройства 1 и с холодными концентратом загрязненной воды и чистой водой по их ходу из камеры 7 нижнего теплообменного устройства 2. Теплообменный аккумулятор холода 41 выполнен в виде закрытой теплоизолированной емкости, заполненной незамерзающим теплопроводящим веществом, внутри которого расположены теплообменные элементы 42 в форме змеевика для подачи исходной воды в камеру 6 и для попеременного слива концентрата загрязненной воды и чистой воды из камеры 7. При этом конденсатор с водяным охлаждением 20 по теплообмену связан с чистой водой после ее выхода из теплообменного аккумулятора холода 41. Использование теплообменного аккумулятора холода 41 для предварительного охлаждения исходной воды позволяет снизить энергопотребление системы до 5%.
Управление системой осуществляется в автоматическом режиме через пульт управления посредством контроллера 24. В соответствии с заданным алгоритмом контроллер 24 обеспечивает следующие функции системы:
- изменение направления потоков воды и хладагента в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда;
- разделение потоков концентрата загрязненной воды и потоков предварительно очищенной и чистой воды на выходе из камер верхнего и нижнего теплообменных устройств;
- передачу тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в камеру для оттаивания льда;
- очистку воды с отделением тяжелой воды в камере верхнего теплообменного устройства, утилизацию тяжелой воды и очистку легкой воды от примесей и растворенных солей в камере нижнего теплообменного устройства;
- охлаждение чистой воды в емкости при ее хранении и использовании;
- производство пищевого прозрачного льда из очищенной воды;
- повышение концентрации жидких пищевых продуктов, вина и соков.
Технические параметры заявляемой системы, в т.ч. производительность, энергопотребление, габаритные размеры и функциональные возможности, в значительной степени зависят от конструкции теплообменных устройств, в которых осуществляются процессы перекристаллизации воды при ее очистке. Наиболее эффективное использование системы обеспечивают теплообменные устройства с внешним корпусом цилиндрической формы (фиг. 2) и с внешним корпусом в форме усеченного полого конуса, ориентированного углом раствора вверх (фиг. 3).
Вариант 1. Применение теплообменного устройства с корпусом цилиндрической формы (фиг. 2, поперечное сечение устройства).
Теплообменное устройство состоит из внешнего 43 и внутреннего 44 корпусов цилиндрической формы, перегородки 45 цилиндрической формы, охлаждающих и нагревательных элементов 8, нагревательного элемента 46, коллектора 47 для подачи воздуха, крышки 48 и теплоизоляционного покрытия 49, закрепленного на наружной поверхности внешнего корпуса 43.
Соотношение высоты внешнего корпуса 43 к его диаметру составляет 1,5-1,7, что обеспечивает оптимальные функциональные параметры. Внешний корпус 43 содержит дополнительную внутреннюю стенку 50 цилиндрической формы, высота которой соответствует высоте внешнего корпуса 43. Полость 51 между внешним корпусом 43 и внутренней стенкой 50 заполнена незамерзающим теплопроводящим веществом, в котором расположены охлаждающие и нагревательные элементы 8, выполненные в виде испарителя-конденсатора хладагента в форме змеевика с патрубками 52 для соединения с контуром циркуляции хладагента. На внутренней поверхности внешнего корпуса 43 перед охлаждающими и нагревательными элементами 8 закреплено теплоотражающее покрытие (не показано). В зависимости от режима работы теплообменного устройства в охлаждающих и нагревательных элементах 8 циркулирует либо кипящий хладагент -режим замораживания, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания.
Внутренний корпус 44 расположен коаксиально с внешним корпусом 43 и выполнен с закрытыми торцами. Размещение внутреннего корпуса 44 внутри внешнего корпуса 43 позволяет образовать между их близлежащими стенками камеру 53 кольцевой формы, что существенно уменьшает продолжительность режима замораживания. Одновременно внутренний корпус 44 является вытеснителем, уменьшающим объем исходной воды в камере 55, что также сокращает продолжительность режима замораживания. Высота внутреннего корпуса 44 соответствует высоте внешнего корпуса 43.
Перегородка 45 закреплена в камере 53 между внешним 43 и внутренним 44 корпусами с образованием, соответственно, охлаждающей 54 и рециркуляционной 55 полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой 45 и над ней. Высота перегородки 45 составляет 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса 43, что обеспечивает возможность свободной циркуляции воды в режиме замораживания. Использование перегородки 45 позволяет в режиме замораживания ограничить фронт кристаллизации воды достаточно узким пространством охлаждающей полости 54, что дополнительно уменьшает продолжительность режима.
Нагревательный элемент 46 закреплен в верхней части внутреннего корпуса 44 и выполнен в виде электронагревателя или трубчатого конденсатора хладагента с капиллярной трубкой для отвода горячего пара хладагента (не показана).
Коллектор 47 для подачи воздуха смонтирован в днище внешнего корпуса 43 в охлаждающей полости 54. Крышка 48 выполнена с возможностью герметичного запирания камеры 53. Над рециркуляционной полостью 55 на крышке 48 выполнены патрубок 56 для подачи воды и воздушный клапан 57. Патрубок 58 для слива концентрата загрязненной воды и слива очищенной воды выполнен на днище внешнего корпуса 43 в упомянутой полости 55.
Внешний 43 и внутренний 44 корпусы, перегородка 45 и внутренняя стенка 50 выполнены из теплопроводящего материала. При этом перегородка 45 и внутренняя стенка 50 являются эквипотенциальными поверхностями: перегородка 45 - со знаком «плюс» или «минус», а стенка 50 - со знаком «минус» или «плюс», соответственно, в зависимости от режима перекристаллизации.
Вариант 2. Применение теплообменного устройства с корпусом в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх (фиг. 3, поперечное сечение устройства).
Теплообменное устройство состоит из внешнего 59 и внутреннего 44 корпусов, перегородки 45, охлаждающих и нагревательных элементов 9, нагревательного элемента 46, коллектора 47 для подачи воздуха, крышки 60 и теплоизоляционного покрытия 61, закрепленного на наружной поверхности внешнего корпуса 59. Внешний корпус 59 выполнен в форме усеченного полого конуса, ориентированного углом раствора вверх, и содержит дополнительную внутреннюю стенку 62 аналогичной формы, высота которой соответствует высоте внешнего корпуса 59. Полость 63 между внешним корпусом 59 и внутренней стенкой 62 заполнена незамерзающим теплопроводящим веществом, в котором расположены охлаждающие и нагревательные элементы 9, выполненные в виде испарителя-конденсатора хладагента в форме змеевика с патрубками 64 для соединения с контуром циркуляции хладагента. На внутренней поверхности внешнего корпуса 59 перед охлаждающими и нагревательными элементами 9 закреплено теплоотражающее покрытие (не показано).
Внутренний корпус 44 выполнен цилиндрической формы с закрытыми торцами и расположен соосно с внешним корпусом 59. Высота внутреннего корпуса 44 соответствует высоте внешнего корпуса 59.
Перегородка 45 выполнена цилиндрической формы и закреплена между внешним 59 и внутренним 44 корпусами с образованием в камере 65, соответственно, охлаждающей 66 и рециркуляционной 67 полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой 45 и над ней. Перегородка 45 расположена соосно с упомянутыми корпусами, а ее высота составляет 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса 59, что обеспечивает возможность свободной циркуляции воды в режиме замораживания. Перегородка 45 обеспечивает технический результат, аналогичный рассмотренному ранее варианту с теплообменным устройством цилиндрической формы.
Выполнение и расположение нагревательного элемента 46, коллектора 47, патрубков 68 для подачи воды и 69 для слива концентрата загрязненной воды и чистой воды, а также крышки 60 и воздушного клапана 70 аналогично их выполнению в теплообменном устройстве с внешним корпусом цилиндрической формы.
Внешний 59 и внутренний 44 корпусы, перегородка 45 и внутренняя стенка 62 выполнены из теплопроводящего материала. При этом перегородка 45 и внутренняя стенка 62 являются эквипотенциальными поверхностями.
Теплообменные устройства с корпусами цилиндрической и конической формы используют в системе либо совместно, например, верхнее устройство с корпусом цилиндрической формы, а нижнее с корпусом конической формы, либо по отдельности - по два устройства с внешними корпусами одинаковой формы.
Представленная в описании и на фигурах чертежей система очистки воды методом перекристаллизации и используемые в ней теплообменные устройства не исчерпывают всех возможных вариантов их исполнения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата. В частности, в системе может использоваться любое парное или непарное количество 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, расположенные, например, в нижней части теплообменной камеры или на стенке внутреннего корпуса. Охлаждающие и нагревательные элементы в теплообменных устройствах могут быть выполнены иной формы или конструкции, например, в форме многоканальных панелей или электрических термоэлементов.
Работа системы очистки воды методом перекристаллизации.
В рассмотренном ниже примере система содержит (фиг. 1) верхнее теплообменное устройство 1 с внешним корпусом 43 цилиндрической формы (фиг. 2) и нижнее теплообменное устройство 2 с внешним корпусом 59 в форме усеченного конуса, ориентированного углом раствора вверх (фиг. 3). Очистку воды осуществляют в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда в камерах 53 и 65 теплообменных устройств 1 и 2 и передачи тепла хладагента, образующегося в камере при замораживании воды, в камеру для оттаивания льда. В зависимости от режима работы в охлаждающих и нагревательных элементах 8 и 9 циркулирует либо кипящий хладагент - режим замораживания, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания. Средство управления и контроля 5 реализует заложенный в контроллер 24 алгоритм программы по соответствующему изменению направления потоков воды в камерах 53 и 65 и хладагента в охлаждающих и нагревательных элементах 8 и 9, а также кратковременному включению нагревательных элементов 46 и компрессора (не показан) для подачи воздуха в коллекторы 47 в режиме замораживания воды.
Работа системы поясняется на примере очистки воды с отделением «тяжелой» воды в камере верхнего теплообменного устройства, утилизации «тяжелой» воды и очистки «легкой» воды от примесей и растворенных солей в камере нижнего теплообменного устройства.
1. Запуск системы. Подача воды в камеру 53 верхнего теплообменного устройства 1.
На пульте управления выбирают функцию очистки с отделением тяжелой воды. После запуска системы нажатием на кнопку «Пуск» контроллер 24 осуществляет управление системой в автоматическом режиме. Открывается клапан 28 и исходная вода через фильтр 12 и теплообменный аккумулятор холода 41 поступает в камеру 53 верхнего теплообменного устройства 1. После заполнения камеры 53 клапан 28 закрывается.
2. Работа верхнего теплообменного устройства 1 в режиме замораживания «тяжелой» воды.
Автоматически открываются клапаны 34 и 35, клапаны 33 и 36 закрыты. При работе верхнего теплообменного устройства 1 в режиме замораживания при отсутствии воды в нижнем теплообменном устройстве 2 конденсация хладагента осуществляется в конденсаторах с воздушным 19 и с водяным 20 охлаждением. Циркуляция хладагента в данном режиме осуществляется по направлению пунктирной стрелки в контуре 4 на фиг. 1. Сжатый в компрессоре 18 пар хладагента последовательно проходит через секции конденсаторов с воздушным 19 и водяным 20 охлаждением, клапан 35, после чего через верхний патрубок 64 поступает в охлаждающие и нагревательные элементы 9 нижнего теплообменного устройства 2. Через нижний патрубок 64 жидкий хладагент выводится из нижнего теплообменного устройства 2 и поступает в капиллярную трубку 23, откуда в дросселированном состоянии направляется в теплообменник 21, после чего нагревается до температуры 5°С и через нижний патрубок 52 подается в охлаждающие и нагревательные элементы 8 верхнего теплообменного устройства 1. При прохождении охлаждающих и нагревательных элементов 8 хладагент выкипает, охлаждая исходную воду в камере 53 и вымораживая из него на внутренней стенке 50 «тяжелый» лед. Пар хладагента через верхний патрубок 52 выводится из верхнего теплообменного устройства 1 и через клапан 34 и теплообменники 21 и 22 возвращается на вход компрессора 18. По истечении заданной продолжительности режима замораживания «тяжелого» льда на внутренней стенке 50 по команде контроллера 24 открывается клапан 29, через который незамерзшая часть исходной воды сливается в камеру 65 нижнего теплообменного устройства 2, после чего клапан 29 закрывается.
3. Работа верхнего теплообменного устройства 1 в режиме оттаивания «тяжелого» льда и нижнего теплообменного устройства 2 в режиме замораживания «легкой» воды.
По команде контроллера 24 одновременно переключаются две группы клапанов: клапаны 33 и 36 открываются, а клапаны 34 и 35 закрываются. Нижнее теплообменное устройство 2 начинает работать в режиме замораживания «легкой» воды, а верхнее теплообменное устройство 1 - в режиме оттаивания «тяжелого» льда. Синхронность работы теплообменных устройств 1 и 2 контроллер 24 обеспечивает по заданному алгоритму программы с участием терморегулирующего клапана 38, который на основании показаний датчиков температуры 25 шунтирует капиллярную трубку 23. Циркуляция хладагента осуществляется по направлению сплошной стрелки в контуре 4 на фиг. 1.
Сжатый в компрессоре 18 пар хладагента проходит через конденсаторы с воздушным 19 и водяным 20 охлаждением и через клапан 33 и верхний патрубок 52 поступает в охлаждающие и нагревательные элементы 8 верхнего теплообменного устройства 1. В результате теплообмена с «тяжелым» льдом на внутренней стенке 50 хладагент конденсируется при температуре 20°С. Вода, образовавшаяся при оттаивании «тяжелого» льда, скапливается в нижней части камеры 53.
3
3
Жидкий хладагент через нижний патрубок 52 выходит из охлаждающих и нагревательных элементов 8 и поступает в теплообменник 21, где охлаждается до 10°С, а затем через клапан 37 проходит через капиллярную трубку 23, где дросселируется и поступает в нижний патрубок 64 охлаждающих и нагревательных элементов 9 нижнего теплообменного устройства 2. В камере 65 внутренняя стенка 62 охлаждается до температуры от минус 3°С до минус 35°С, в результате чего «легкая» вода в охлаждающей полости 66 быстро охлаждается с одновременным формированием кольцевого фронта кристаллизации, направленного от внутренней стенки 62 к перегородке 45. Температуру «легкой» воды при ее охлаждении и температуру хладагента при его нагревании в результате теплообмена с водой контролируют датчики температуры 25. В соответствии с заданным алгоритмом программы контроллер 24 не допускает возможность критического понижения температуры в охлаждающей полости 66, которое может привести к кристаллизации остатка легкой воды с повышенным содержанием органических и неорганических примесей, существенно снижающих качество чистой воды. При охлаждении «легкой» воды ее плотность вдоль внутренней стенки 62 уменьшается до 998,6-998,8 кг/м, что вызывает слабую естественную циркуляцию воды между смежными полостями 66 и 67, так как плотность воды в полости 67 не изменяется и составляет около 1000 кг/м. После формирования тонкого слоя льда на внутренней стенке 62 по команде контроллера 24 включается воздушный компрессор (не показан) для подачи сжатого воздуха в охлаждающую полость 66 через коллекторы 47. После этого в заданный момент времени на непродолжительное время включается нагревательный элемент 46. Подача в охлаждающую полость 66 воздуха со стороны днища и одновременный непродолжительный подогрев «легкой» воды в верхней части рециркуляционной полости 67 повышает интенсивность ее вертикальной циркуляции, что способствует более быстрому охлаждению воды и росту чистого и прозрачного слоя льда. Одновременно обеспечивается снижение градиента примесей на границе лед-вода и уменьшается межкристаллическое загрязнение льда солями и взвесями. Теплоизоляционное покрытие 61 и теплоотражающее покрытие, расположенные на противоположных поверхностях наружной стенки внешнего корпуса 59, повышают эффективность теплопередачи от охлаждающих и нагревательных элементов 9 к объему воды, что снижает продолжительность режима замораживания в камере 65. Кроме того, эффективность теплопередачи увеличивается за счет заполнения полости 63 незамерзающим теплопроводящим веществом.
В результате теплообмена с «легкой» водой при ее замораживании хладагент в охлаждающих и нагревательных элементах 9 нагревается и выкипает при температуре минус 15°С. Через верхний патрубок 64 и клапан 36 пар хладагента подается в теплообменники 21 и 22, откуда поступает на вход компрессора 18.
После завершения предусмотренной программой продолжительности режима замораживания «легкой» воды на внутренней стенке 62 в нижнем теплообменном устройстве 2 по команде контроллера 24 одновременно открываются клапаны 30 и 32. После этого незамерзший остаток «легкой» воды, содержащий концентрат примесей и солей, из камеры 65 нижнего теплообменного устройства 2 через патрубок 69, теплообменный элемент 42, расположенный в теплообменном аккумуляторе холода 41, и клапан 32 поступает в емкость 13. Также емкость 13 через патрубок 58 и клапан 30 поступает «тяжелая» вода из камеры 53 верхнего теплообменного устройства 1. Излишки воды из емкости 13 утилизируют через патрубок 14. После слива «тяжелой» и «легкой» воды из теплообменных камер 65 и 53 клапаны 30 и 32 закрываются. Открывается клапан 28 и исходная вода, охлаждаясь в теплообменном аккумуляторе холода 41, через патрубок 56 поступает в теплообменную полость 53 верхнего теплообменного устройства 1. После заполнения теплообменной полости 53 клапан 28 закрывается. Система готова к изменению цикла перекристаллизации.
4. Работа верхнего теплообменного устройства 1 в режиме замораживания «тяжелого» льда и нижнего теплообменного устройства в режиме оттаивания «легкого» льда.
По команде контроллера 24 одновременно переключаются две группы клапанов на следующий цикл перекристаллизации: клапаны 34 и 35 открываются, клапаны 33 и 36 закрываются. В верхнем теплообменном устройстве 1 происходит замораживание на внутренней стенке 50 «тяжелого» льда из исходной воды, а в нижнем теплообменном устройстве 2 - оттаивание «легкого» льда и получение чистой питьевой воды. Циркуляция хладагента в данном режиме осуществляется по направлению пунктирной стрелки в контуре 4 на фиг. 1.
Сжатый в компрессоре 18 пар хладагента последовательно проходит секции конденсаторов с воздушным 19 и водяным 20 охлаждением, затем через клапан 35 и верхний патрубок 64 поступает в элементы 9 нижнего теплообменного устройства 2, где конденсируется при температуре 15-18°С, расплавляя на внутренней стенке 62 намороженный «легкий» лед. Через нижний патрубок 64 жидкий хладагент выводится из нижнего теплообменного устройства 2 в капиллярную трубку 23, дросселируется в ней и поступает в теплообменник 21, где нагревается до температуры 5°С, после чего через нижний патрубок 52 подается в охлаждающие и нагревательные элементы 8 верхнего теплообменного устройства 1. Проходя через упомянутые элементы 8 хладагент выкипает, охлаждая исходную воду и намораживая на внутренней стенке 50 «тяжелый» лед. Далее пар хладагента выходит через верхний патрубок 52 и через клапан 34, теплообменники 21 и 22 возвращается на вход компрессора 18.
После формирования необходимого слоя «тяжелого» льда на внутренней стенке 50 верхнего теплообменного устройства 1 и оттаивания «легкого» льда в теплообменной камере 65 нижнего теплообменного устройства 2 открывается клапан 31 и чистая питьевая вода через теплообменный элемент 15 и фильтр тонкой очистки 16 поступает в емкость 10 для чистой воды. После слива чистой воды из камеры 65 клапан 31 закрывается и открывается клапан 29, через который в камеру 65 «легкая» вода поступает из камеры 53 верхнего теплообменного устройства 1. Клапан 29 закрывается. Система готова к очередной смене режимов перекристаллизации в теплообменных устройствах 1 и 2, при которой в верхнем теплообменном устройстве 1 будет происходить оттаивание «тяжелого» льда, а в нижнем теплообменном устройстве 2 - замораживание «легкой» воды. Указанный режим рассмотрен выше (цикл 3).
В процессе работы системы чистая питьевая вода накапливается в емкости 10 и охлаждается посредством теплообменника 22. Уровень и температура чистой воды в емкости 10 контролируют датчики уровня 27 и температуры 26. Чистая питьевая вода из емкости 10 выводится потребителю через клапан 17.
Работа системы с использованием эффекта электролиза в режиме замораживания воды.
Для очистки воды с высокой степенью загрязнения дополнительно используют эффект электролиза, который образуется в охлаждающих полостях 54 и 66 между эквипотенциальными поверхностями перегородки 45 и внутренней стенки, соответственно, 50 и 62 при подключении их к внешнему источнику постоянного тока. При этом перегородку 45 подключают к положительному контакту, а упомянутые внутренние стенки - к отрицательному контакту или наоборот с учетом смены режимов перекристаллизации.
В зависимости от степени загрязнения исходной воды и климатических условий продолжительность режима замораживания воды в теплообменных устройствах 1 и 2 составляет от 0,2 до 1,5 часа, а режима оттаивания льда 0,5 часа.
Заявляемая конструкция системы и теплообменных устройств проверена при очистке загрязненной и морской (с содержанием солей до 4,5%) воды. Результаты испытаний подтвердили заявленный технический результат. В частности, использование в системе теплообменного аккумулятора позволяет уменьшить продолжительность охлаждения воды и замораживания льда в верхнем теплообменном устройстве на 24-32%. Использование конденсатора с водяным охлаждением позволяет уменьшить температуру конденсации хладагента с примерно 40°С до примерно 30°С, что повышает холодопроизводительность компрессора и сокращает продолжительность режима замораживания в верхнем и нижнем теплообменных устройствах. Использование эффекта электролиза при замораживании воды позволяет уменьшить содержание в ней нежелательных примесей от 40% до 90%. Использование дополнительного нагревательного элемента сокращает продолжительность оттаивания льда.
Сочетание в системе достаточно большой производительности и высокого качества очистки воды позволяет использовать ее для обработки исходной воды с широким диапазоном загрязнений органическими и неорганическими веществами.