УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ЗАМОРАЖИВАНИЕМ
DEVICE FOR CLEANING WATER BY FREEZING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам для очистки исходной воды методом замораживания и может быть использовано в промышленных и бытовых условиях.
Уровень техники
Очистка исходной воды по уменьшению концентрации растворенных солей, органических соединений, повышению биологической активности исходной воды и получение талой питьевой воды является актуальной задачей. Под термином талая вода подразумевается водная среда, претерпевшая перекристаллизацию по схеме: исходная вода - лед - талая вода. Существующие устройства могут на 10-30% очистить исходную воду и от дейтерия.
Из уровня техники известно устройство для очистки воды замораживанием (патент RU 61704 U2 10.03.2007), которое состоит из резервуара для воды, имеющего нижнее и верхнее днища. В верхнем днище выполнено отверстие, предназначенное для заполнения сосуда исходной водой и слива талой воды, а также для установки и извлечения осевого трубчатого электронагревателя. К осевому трубчатому электронагревателю подключен блок питания. Рабочая поверхность (поверхность, контактирующая с водой) осевого электронагревателя выполнена в виде перфорированной цилиндрической оболочки с глухим дном.
Недостатками данного технического решения являются низкая степень очистки полученной воды от растворенных солей и органических соединений (не более 1,6 раза относительно исходной) за счет неполного удаления рассола из резервуара после извлечения электронагревателя, а также сложность его практического применения.
Известно также устройство для замораживания в бутылках насыщенной кислородом артезианской воды в зимних условиях на открытом воздухе (RU 143553 U2 03.12.2013), в котором корпус выполнен в виде поддона с замкнутой полостью, для установки на нем на ложементах горловинами вниз опрокинутых кверху дном заполненных насыщенной кислородом артезианской водой и закрытых пробками бутылок для замораживания в них воды. Горловины бутылок установлены в замкнутой полости, изолированной от окружающего поддон холодного воздуха, с возможностью подогрева и поддержания температуры в этой полости +4°С.
Недостатками данного технического решения являются низкая степень очистки полученной воды от растворенных солей и органических соединений (удельная электропроводность полученной воды относительно исходной уменьшается не более, чем в 2 раза) и наличие избыточного давления в бутылках, а также сложность его практического применения.
Наиболее близким техническим решением является устройство очистки воды путем ее замораживания (RU 2142914 С2 20.12.1999). Устройство включает резервуар с дном, верхнюю крышку с термоизоляционным покрытием, съемный стакан с термоизоляционным покрытием.
Недостатками данного технического решения являются низкая степень очистки полученной воды от растворенных солей и органических соединений (удельная электропроводность полученной воды относительно исходной уменьшается не более, чем в 2 раза) из-за замерзшего рассола на торцевых поверхностях полученного льда, неполное замораживание исходной воды, не более 80%.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение приведенных выше недостатков и создание устройства, позволяющего полностью исключить возможность полного замораживания исходной воды (не более 75%), проводить замораживание воды в резервуарах без растрескивания льда за счет исключения избыточного давления в замкнутой полости рассола и автоматизировать процесс слива рассола из резервуаров перед их выемкой из камеры холода.
Технический результат, достигаемый предложенным решением, позволяет уменьшить солесодержание в полученной талой воде в 10-40 раз относительно исходной за один цикл замораживания-размораживания при выходе чистой талой воды до 75%.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки воды замораживанием, содержащем камеру холода, согласно предложенному решению, в камере холода расположены резервуары со съемными крышками, выполненные в виде усеченного конуса, нижнее основание камеры холода выполнено с отверстиями для размещения теплоизолированных узлов отвода рассола за пределы камеры холода, резервуары установлены соосно на теплоизолированные узлы отвода рассола за пределы камеры холода съемными крышками вниз через теплоизоляционные кольца, при этом съемные крышки выполнены конусообразной формы, с центральными отверстиями и закрепленными вокруг них подогревателями воды в виде резистивных элементов, подключенных к блоку питания, в середине дна каждого резервуара установлен патрубок, длина внутреннего конца которого равна 0,5 - 0,7 высоты резервуара, а внешний конец патрубка связан трубкой с нормально закрытым запорным устройством, соединенным цепью управления с таймером.
Каждый теплоизолированный узел отвода рассола за пределы камеры холода и подогреватель воды могут быть объединены между собой и выполнены в виде металлической воронки, контактирующей расширенной частью со средней частью съемной крышки резервуара и выходящей утепленной узкой частью за пределы камеры холода.
Все теплоизолированные узкие части металлических воронок, выходящих за пределы камеры холода, имеющие дополнительные радиаторы, могут быть объединены между собой и связаны с канализацией.
Каждое нормально закрытое запорное устройство может быть выполнено в виде пробки.
Каждое нормально закрытое запорное устройство может быть выполнено в виде электроклапана.
Каждое нормально закрытое запорное устройство может быть выполнено в виде нагнетательного компрессора.
Каждое нормально закрытое запорное устройство может быть выполнено в виде общего электроклапана.
Каждое нормально закрытое запорное устройство выполнено в виде общего нагнетательного компрессора.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид устройства с одним резервуаром.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Устройство для очистки воды методом замораживания, содержит камеру холода 1, с помещенным в нее идентичным полимерным резервуаром 2 с исходной водой для замораживания. Резервуар 2 выполнен в виде усеченного конуса, с дном 3 и съемной крышкой 4 конусообразной формы, расположенной со стороны большего основания усеченного конуса. В дне 3 резервуара 2 расположен полимерный патрубок 5. В съемной крышке 4 выполнено центральное отверстие 6. Полимерный резервуар 2 установлен соосно съемными крышками 4 вниз на теплоизолированный узел 7 отвода рассола за пределы камеры холода 1. В нижнем основании камеры холода выполнено отверстие по количеству резервуаров для размещения теплоизолированных узлов 7. Каждый теплоизолированный узел 7, проходящий через основание камеры холода 1, выполнен теплоизолированным и представляет собой, в общем случае, канал для слива избыточного объема жидкого рассола за пределы камеры холода 1 при увеличении объема льда в процессе замораживания исходной воды. Для поддержания жидкого состояния рассола по оси резервуара и теплоизолированного узла 7 вокруг центрального отверстия крышки 4 закреплен подогреватель воды в виде резистивных элементов, подключенных к блоку питания.
Каждый теплоизолированный узел 7 при малых объемах резервуаров (менее 5 литров) может быть выполнен, например, в виде металлической воронки, закрепленной крепежной гайкой 8 (радиатором) и снабженной теплоизоляторами 9, 10, улучшающими передачу тепла от внешней среды через корпус металлической воронки, контактирующей расширенной частью со средней частью съемной крышки 4 резервуара 2. Нормально закрытое запорное устройство 11 с таймером 12 связаны трубкой 13 с внешним концом полимерного патрубка 5, при этом длина внутреннего конца полимерного патрубка 5 равна 0,5 - 0,7 высоты резервуара 2, а между съемной крышкой 4 и дном камеры холода 1 установлено теплоизоляционное кольцо 14, охватывающее теплоизолированный узел 7. Лед обозначен 15, рассол - 16.
Устройство работает следующим образом.
В резервуаре 2 закрывается с внешней стороны патрубок 5, например, временной пробкой. Резервуар 2 наполняется водой, закрывается съемной крышкой 4 и устанавливается съемной крышкой 4 вниз на теплоизоляционное кольцо 14, охватывающее теплоизолированный узел 7. Затем вынимается временная пробка из патрубка 5 и подключается трубка, которая соединена с нормально закрытым запорным устройством 11. При этом воздух через патрубок 5 поступает кратковременно в резервуар 2 и вытесняет воду из патрубка 5 по всей его длине. Незначительная часть исходной воды через центральное отверстие 6 в крышке и центральное отверстие металлической воронки вытекает за пределы камеры холода 1, например, в канализацию.
Далее начинается процесс замораживания воды, например, в течение 24 часов. При этом центральная часть съемной крышки 4 подогревается за счет поступления тепла через металлическую воронку от внешней среды или подогревателя воды, выполненного в виде резистивных элементов. При повышении давления в рассоле 16 по мере образования льда 15 через центральное отверстие 6 в крышке 4 обеспечивается постоянное удаление жидкого рассола 16 через теплоизолированный узел 7. При этом в первую очередь удаляются тяжелые фракции рассола, которые быстрее оседают к центральному отверстию 6 в крышке 4. Эти мероприятия исключают образование замкнутого объема рассола и растрескивание льда, появление микротрещин в нем, через которые может происходить загрязнение льда продуктами рассола 16 по мере замораживания исходной воды. По истечении заданного времени (например, через 24 часа с начала замораживания воды), когда лед 15 займет 50-75% объема резервуара 2, таймер 12 выдает сигнал на включение нормально закрытого запорного устройства 11, который осуществляет, например, включение электроклапана или нагнетательного компрессора, обеспечивающих поступление атмосферного воздуха через патрубок 5 в полость рассола 16. Поскольку в патрубке 5 в процессе замораживания исходной воды находится воздух, то атмосферный воздух свободно поступает в полость рассола 16, что обеспечивает медленное (за 5-15 минут) его вытекание через центральное отверстие 6 в съемной крышке 4, теплоизолированный узел 7. К моменту извлечения резервуара 2 из камеры холода 1 в резервуаре находится только лед 15. Далее резервуар 2 со льдом 15 вынимается из камеры холода 1 и устанавливается на таяние или хранение на резервную полку, например, этой же камеры холода 1. Допускается перенос льда из указанного резервуара в иную посуду, поскольку лед легко вынимается из него через несколько минут нахождения при комнатной температуре.
При использовании предложенного решения удобно менять резервуар 2 в камере холода 1 один раз в сутки, а это значит, что замораживание воды необходимо производить, например, за 24 часа, а рассол сливать за 5-15 минут до момента выемки льда 15 из камеры холода 1. При этом средняя толщина кольца льда 15 при температуре в камере холода 1 минус 15°С будет равна приблизительно 20-25 мм (при экспериментах было 22 мм). Внутренний диаметр у дна 3 резервуара отличается от большего его внутреннего диаметра у крышек на 0,1-0,3 высоты резервуаров, что упрощает выемку льда из резервуара и обеспечивает направленное замораживание воды в резервуаре.
Диаметр расширенной части металлической воронки, который контактирует с утепленной крышкой 4, равен приблизительно диаметру полости рассола в конце цикла замораживания.
Сечение узкой части металлической воронки, выходящей за пределы камеры холода 1, должно быть достаточным для подогрева воды в резервуаре с удельной мощностью 0,5-3,0 Вт на литр, а сечение ее центрального отверстия не должно быть меньше центрального отверстия 6 крышки резервуара.
Пример 1
При объеме резервуара до 5 литров функции подогревателя воды успешно может выполнять теплоизолированный узел 7, выполненный в виде металлической воронки, контактирующей расширенной частью с серединой крышки 4 резервуара 2 и выходящей утепленной тонкой частью за пределы камеры холода 1. Указанный подогрев крышки 4 при помощи металлической воронки обеспечивает поддержание вместе с теплоизоляторами 9, 10 и теплоизоляционным кольцом 14 жидкого состояния рассола 16 практически по всей оси резервуара, хотя со стороны дна 3 резервуара 1 лед образуется.
Пример 2
При большом объеме резервуара 2 подогреватель воды может быть выполнен в виде резистивного элемента, подключенного к маломощному блоку питания и закрепленного с внешней стороны в средней части съемной крышки 4 резервуара 2 или удобном месте металлической воронки.
Пример 3
С внешней стороны патрубка 5 вставлена временная пробка при установке резервуара 2 в камеру холода 1. После установки резервуара 2 в камеру холода 1 временную пробку удаляют на 1-2 секунды для удаления воды из патрубка 5, а потом устанавливают ее на место. При необходимости слива рассола 16 из резервуара 2, например, через 24 часа с начала замораживания воды, указанная пробка извлекается из патрубка 5, что обеспечивает поступление атмосферного воздуха к полости рассола 16 и медленное его вытекание через центральное отверстие 6 крышки 4 через теплоизолированный узел 7.
В экспериментальных исследованиях использовался резервуар с диаметром дна - 13 см, диаметром у крышки - 16 см (среднее значение 14,5 см.), высотой - 16,5 см (высота резервуара, заполненная исходной водой была равна 14,5 см.). При температуре в камере холода минус 15°C коэффициенты выхода талой воды составляли в среднем 0,24 (при t=12 часов), 0,35 (при t=16 часов), 0,46 (при t=20 часов), 0,58 (при t=24 часа) и 0,70 (при t=28 часов).
Исследования показали, что за один цикл замораживания-размораживания исходных вод из различных областей Западной Сибири (при температуре в камере холода минус 15°C, замораживании в течение 24 часов и выходе талой воды 0,58 от объема исходной воды) степень их очистки по «сухому» остатку колеблется от 90% до 97% в зависимости от химического состава исходной воды. Степень очистки воды по «сухому» остатку определялась по формуле:
2
1
2
C=(C-C)/C,
1
где C - масса «сухого» остатка в талой воде;
2
С - масса «сухого» остатка в исходной воде.
В таблице приведены экспериментальные данные степени очистки воды разных районов Западной Сибири (солесодержание определялось по удельной электропроводности).
При этом редокс-потенциал (ОВП) полученной талой воды уменьшался в 1,5-3 раза относительно исходной, но всегда имел положительное значение.
РН полученной талой воды отличался от исходной не более 10%.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое применение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.