АППАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
WATER PURIFICATION APPARATUS

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом кристаллизации, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине.
Очистка воды методом кристаллизации состоит в ее замораживании при температуре несколько ниже нуля градусов Цельсия (например, от -2 до -6°C) с образованием кристаллов льда, из которых на границе фронта кристаллизации большая часть примесей вытесняется в виде жидкого концентрата органических и неорганических примесей, который не замерзает при указанных температурах вследствие повышенного содержания солей. Жидкий концентрат примесей удаляют, а чистый слиток кристаллов льда плавят при положительной температуре с получением очищенной талой воды.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом (патент РФ №2312817, МПК C02F 1/22, опубл. 20.12.2007). Водоочиститель имеет раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда, и дополнительно снабжен приводным устройством перемещения стержня замороженной воды, смонтированным за морозильной камерой и разобщающим устройством, размещенным по центру стержня замороженной воды и выполненным в виде трубы. Разобщающее устройство имеет на входе кольцевую режущую часть, а на выходе - расширяющийся профиль, образующий выходной патрубок для удаления примесей в виде рассола.Однако данное устройство обеспечивает недостаточное качество очистки воды, сложно в конструктивном выполнении. Кроме того, потребитель талой воды не может наблюдать за процессом очистки воды, что снижает интерес и доверие потребителя к конечному продукту.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды в промышленных масштабах из морской воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом, раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда (Патент Франции №2858607, МПК C02F 1/22, опубл. 11.02.2005).
Известна установка для очистки воды (Патент РФ №2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), содержащая емкость для неочищенной воды, установленный в емкости теплообменник для отвода тепла и намораживания льда, средства для нагрева и оттаивания льда, морозильный агрегат с системой его охлаждения, трубопровод с вентилем для слива воды с примесями, трубопровод с вентилем для слива талой воды, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен по форме многоступенчатого змеевика, расположенного в верхней части емкости по высоте примерно 1/3÷2/3 высоты емкости на расстоянии 2÷5 см относительно верхнего основания емкости и симметрично относительно ее боковой поверхности с зазором, обеспечивающим возможность объемного намораживания льда в воде вокруг змеевика до размера, не перекрывающего при кристаллизации льдом этот зазор, емкость снабжена термоизоляционной крышкой и уплотнением, трубопровод для слива воды с примесями установлен в самом сечении конического дна емкости, трубопровод для слива талой воды установлен внизу выше конического дна емкости на 0,5÷2 см. Установка снабжена фильтром тонкой очистки с водоотводящей трубкой с вентилем и насосом для циркуляции и перекачки талой воды под давлением через фильтр тонкой очистки и блоком управления в ручном или автоматическом режиме.
Наиболее близким аналогом (прототипом) устройства является аппарат для очистки воды (патент РФ №2393996, МПК C02F 1/22, опубл. 10.07.2010 г.), включающий корпус, в котором размещены термостатированная рабочая емкость с крышкой и наклонным днищем с отверстием для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, потребительская емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы со средством для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию наклонного днища рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки которых установлены соответственно над потребительской емкостью для приема очищенной талой воды и емкостью для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Средства для замораживания воды и таяния льда выполнены в виде термоэлектрического модуля, содержащего несколько термоэлектрических элементов, расположенных снаружи на боковой стенке рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, средство для управления сливом воды в трубопроводах содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана, а указанные трубопроводы для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды, участки соединения которого с трубопроводами для слива воды расположены между клапанами средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Рабочая емкость выполнена прямоугольной формы, соотношение ее высоты к длине и ширине составляет соответственно не менее 1,0 и не более 1,2.
Однако в вышеприведенных аппаратах-аналогах и прототипе качество очищенной воды является недостаточной, а цикл очистки длителен около 7-8 и более часов (чем больше объем очищаемой воды, тем продолжительнее цикл очистки воды). Кроме того, потребитель талой воды не может наблюдать за процессом очистки воды, что снижает интерес и доверие потребителя как к конечному продукту, так и к его качеству.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества очистки талой воды и обеспечение возможности наблюдения за процессом ее приготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для очистки воды, включающем термостатированную теплообменную емкость для очистки воды, выполненную из термопроводного материала, средства подачи исходной воды на очистку и слива талой воды и жидкого концентрата загрязнений из теплообменной емкости, средства для охлаждения и замораживания воды и плавления льда с охлаждающими и нагревательными элементами, контактирующими поверхностью с термопроводной стенкой теплообменной емкости с наружной стороны, блок управления, связанный со средствами подачи исходной воды на очистку и слива талой воды и жидкого концентрата загрязнений из теплообменной емкости и средствами охлаждения и замораживания воды и плавления льда, согласно изобретению теплообменная емкость выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости, или теплообменная емкость выполнена кольцевой в виде двух коаксиально расположенных полых цилиндров разного диаметра, зазор между которыми с нижнего торца герметично закрыт кольцевой перегородкой с образованием внутри емкости кольцевой щелевой полости, причем одна из стенок теплообменной емкости, свободная от охлаждающих и нагревательных элементов, выполнена из прозрачного материала и имеет одну или несколько внутренних воздушных полостей для визуального наблюдения за процессом кристаллизации воды и/или установки видеокамеры и лампы освещения.
Охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют с одной из наружных боковых поверхностей емкости, имеющих большую площадь поверхности.
Охлаждающие и нагревательные элементы могут быть выполнены в виде термоэлектрической батареи или в виде испарительной трубки холодильного агрегата (охладительные элементы) и трубчатого электронагревателя (нагревательные элементы).
В аппарате с плоской емкостью для очистки воды элементы термоэлектрической батареи расположены на одной из наружных боковых стенок указанной емкости.
В аппарате с кольцевой емкостью для очистки воды испарительная трубка холодильного агрегата и трубчатый электронагреватель расположены на наружной цилиндрической стенке одного из цилиндров указанной кольцевой емкости для очистки воды.
Сокращение времени очистки воды обеспечивается за счет того, что в щелевой полости емкости вода кристаллизуется в виде слоя льда небольшой толщины на одной из боковых стенок емкости в течение непродолжительного времени за счет интенсивного теплообмена между охлаждаемой поверхностью стенки емкости через тонкий слой льда с водой, а существенный объем этого чистого льда образуется за счет развитой (большой) площади боковой поверхности емкости, имеющей внутренний объем в виде плоской или кольцевой щели. Известно, что при одном и том же объеме наименьшую площадь поверхности будет иметь емкость в виде шара. Площадь поверхности кубической емкости того же объема увеличивается приблизительно в 1,24 раза. Площадь поверхности емкости того же объема с плоским или кольцевым щелевым внутренним объемом может быть увеличена от 2 до 10 раз. Во столько же раз может быть увеличен тепловой поток охлаждаемой воде, вследствие чего сокращается время замораживания и очистки воды. Удельный тепловой поток равен
2
q=kΔT/L, Вт/м,
где q - удельный тепловой поток; k - коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м·К); ΔT - перепад температур при прохождении через слой льда, К; L - толщина слоя льда, м.
Из вышеприведенной формулы видно, что чем меньше толщина (L) слоя льда, тем больший удельный тепловой поток передается охлаждаемой воде и тем быстрее вода кристаллизуется, вследствие чего сокращается время очистки воды.
Повышение качества очистки воды достигается за счет пристеночной кристаллизации очищаемой воды. Наиболее чистый лед кристаллизуется тонким слоем на охлажденной стенке емкости с водой. С увеличением толщины слоя льда процесс льдообразования замедляется, а чистота его и физико-химические характеристики снижаются (уменьшается pH и увеличивается окислительно-восстановительный потенциал - ОВП).
Прозрачная стенка емкости с подсветкой обеспечивает возможность наблюдения за процессом кристаллизации воды. Через прозрачные воздушные полости в прозрачной стенке, которые не запотевают в процессе работы устройства, можно наблюдать за процессом очистки воды. За указанным процессом можно наблюдать дистанционно на мониторе с использованием видеокамеры. Указанные возможности (в режиме он-лайн) заявляемого устройства позволяют повысить доверие к качеству получаемой талой воды.
На фиг. 1 представлена схема аппарата с двумя плоскими теплообменными емкостями. На фиг. 2 приведена схема плоской теплообменной емкости в горизонтальном разрезе. На фиг. 3 представлена схема аппарата с кольцевой теплообменной емкостью.
Аппарат для очистки воды методом кристаллизации (фиг. 1) включает термостатированную теплообменную емкость 1 для очистки воды, выполненную из термопроводного материала, средство подачи исходной воды на очистку (на чертежах не показано), средство 2 слива талой воды и жидкого концентрата загрязнений из теплообменной емкости 1, средство 3 для охлаждения и замораживания воды с охлаждающими элементами 4 и средство 5 плавления льда с нагревательными элементами 6. Элементы 4 и 6 контактируют поверхностью с термопроводной стенкой теплообменной емкости 1 с наружной стороны. Электронный блок 7 управления связан со средством подачи в емкость 1 исходной воды на очистку, средством 2 слива талой воды и жидкого концентрата загрязнений из теплообменной емкости 1 и средствами 3 и 5 охлаждения и замораживания воды и плавления льда.
В первом варианте теплообменная емкость 1 (фиг. 1 и 2) выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда 8 с плоской щелевой внутренней полостью 9, образованной между двумя противоположно расположенными плоскими стенками 10 и 11 указанной емкости 1. Аппарат, изображенный на фиг. 1, содержит две такие емкости 1. Элементы 4 и 6 расположены снаружи на плоской стенке 11 емкости 1. Охлаждающий элемент 4 представляет собой испарительную трубку холодильного агрегата, а нагревательный элемент 6 - трубчатый электронагреватель.
Во втором варианте теплообменная емкость 1 (фиг. 3) выполнена кольцевой в виде двух коаксиально расположенных полых цилиндров 12 и 13 разного диаметра, зазор между которыми с нижнего торца герметично закрыт кольцевой перегородкой 14 (дном) с образованием внутри емкости 1 кольцевой щелевой полости 15.
Элемент 4 средства 3 для охлаждения и замораживания воды и нагревательный элемент 6 средства 5 для плавления льда расположены на боковой поверхности внутри внутреннего цилиндра 13 и плотно контактируют с ней. Внутренний цилиндр 13 выполнен из термопроводного материала.
В первом варианте (фиг. 2) выполнения стенка 10 теплообменной емкости 1, свободная от охлаждающих и нагревательных элементов 4 и 6, выполнена из прозрачного материала, например поликарбоната или полиэтилентерефталата, и имеет одну или несколько внутренних воздушных полостей 16 для визуального наблюдения за процессом кристаллизации воды.
Во втором варианте (фиг. 3) выполнения стенка цилиндра 12 теплообменной емкости 1, свободная от охлаждающих и нагревательных элементов 4 и 6, также выполнена из прозрачного материала, например поликарбоната или полиэтилентерефталата, и имеет одну или несколько внутренних воздушных полостей 17 для визуального наблюдения за процессом кристаллизации воды.
В указанных полостях 16 и/или 17 стенок емкости 1 могут быть установлены видеокамеры 18 и лампы 19 освещения.
Электронный блок 7 управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом воды соединен с электромагнитными клапанами 20 и 21 средства 2 для слива очищенной талой воды и жидкого концентрата примесей соответственно и переключателями 22 и 23 средств 3 и 5 соответственно для замораживания воды и плавления льда.
Охлаждающий элемент 4 (испарительная трубка с фреоном) средства 3 для охлаждения и замораживания воды соединена с компрессором 24 и конденсатором 25. Кроме того, электронный блок управления 7 снабжен датчиком 26 температуры, установленным снаружи днища емкости 1.
Видеокамера 18 соединена с монитором 27 через электронный блок управления 7. В емкости 1 в процессе очистки воды формируется слой 28 чистого льда и слой 29 жидкого концентрата примесей.
Аппарат для очистки воды работает следующим образом.
Включают электронный блок 7 управления, который автоматически открывает электроклапаны средства для подачи предварительно отфильтрованной исходной воды из водопровода (на чертежах не показано) в одну (фиг. 3) или две (фиг. 1) теплообменные емкости 1, через которые указанные емкости 1 наполняют на 2/3 объема. Далее блок 7 управления включает компрессор 24. Происходит постепенное охлаждение воды в каждой емкости 1 через термопроводную стенку внутреннего цилиндра 13 (фиг. 3) или плоскую стенку 11 (фиг. 1) с последующей заморозкой ее пристеночной части в виде слоя 28 льда. С помощью датчика температуры 26 блок 7 рассчитывает время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости не менее чем на 0,5°C. Чем меньше толщина слоя льда, тем больший удельный тепловой поток передается охлаждаемой воде и тем быстрее вода кристаллизуется, вследствие чего сокращается время очистки воды. Процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда длится около 1,5-2 часов и контролируется датчиком 26 температуры, данные с которого поступают на электронный блок 7 управления. После окончания формирования слоя 28 чистого пристеночного льда блок 7 управления включает электромагнитный клапан 21 и незамерзший слой 29 жидкого концентрата с примесями, т.е. вода с высоким содержанием солей (рассола) сливается в канализацию. Далее блок 7 управления включает средство 5 для плавления льда, нагревательный элемент 6 которого нагревается до температуры не выше +10-15°C, что соответствует природным условиям. При этом происходит плавление чистого льда. Полное таяние льда осуществляется за 0,5 часа. Полный цикл получения талой воды равен 2-2,5 часам. На основе экспериментальных данных заявителя установлено, что наиболее чистый лед кристаллизуется на охлажденной стенке емкости с водой толщиной не более 1,5-2,5 см.
Прозрачная стенка 10 емкости 1 с лампой 19 и видеокамерой 18 в полостях 16 (фиг. 1) или полостях 17 (фиг. 3) обеспечивает возможность визуального или через монитор 27 наблюдения и записи процесса кристаллизации воды, что повышает доверие потребителя к качеству конечного продукта талой воде.
Содержание чистой талой воды составляет не менее 60 об. % от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
Таким образом, по сравнению с аналогами, заявляемый аппарат для очистки воды обеспечивают сокращение времени очистки воды в несколько раз за счет того, что в узкой щелевой полости 9 емкости 1 вода кристаллизуется в виде небольшого слоя 28 льда на стенках указанной емкости, а существенный объем этого чистого льда образуется за счет увеличения площади боковой поверхности щелевой емкости 1, контактирующей с охладительными и нагревательными элементами. Повышение качества очистки воды от примесей достигается за счет пристеночной кристаллизации очищаемой воды.