ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
HEAT EXCHANGER FOR WATER PURIFICATION SYSTEM BY RECRYSTALLIZATION METHOD

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.
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.
Недостатками известного технического решения являются:
- низкая производительность, обусловленная большой продолжительностью режимов замораживания и оттаивания при заданных температурных параметрах;
- 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.
Вышеуказанные недостатки известного технического решения существенно ограничивают область его применения.
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.
Недостатком известного технического решения является сравнительно небольшая производительность при заданных температурных параметрах, обусловленная:
- 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;
- монолитностью слоя льда, образующегося в режиме замораживания на внутренней стенке корпуса, что приводит к увеличению продолжительности режима оттаивания.
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.
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.
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 изобретениюоно 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.
При этом целесообразно, чтобы угол наклона упомянутых стенок корпуса относительно продольной оси корпуса составлял от 18°до 72°.
Целесообразно также, чтобы высота перегородки составляла от 0,8 до 0,9 высоты корпуса.
Целесообразно также, чтобы объем вытеснителя составлял от 10% до 70% внутреннего объема корпуса.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Работа теплообменного устройства поясняется на примере его использования в системе очистки воды.
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.
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.
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.
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.
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.
Для ускорения процесса таяния льда возможно также дополнительное применение электрообогрева внутренней 15 стенки корпуса 1 (не показано).
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.
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.
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.