Водоочиститель воды путем ее замораживания

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для очистки воды непрерывным способом путем ее замораживания и может быть использовано для очистки воды в массовых количествах.
Известны устройства очистки воды непрерывным способом, включающие расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды, зону вытеснения примесей и концентрации примесей в виде рассола, раздельные патрубки для вывода примесей и талой воды, приводное устройство перемещения стержня замороженной воды, а также разобщающее устройство в виде трубы с кольцевой режущей частью (патенты RU №2312817, 2404131, 2458864).
Недостатком таких устройств является небольшая производительность и значительные энергозатраты.
Известны устройства очистки воды непрерывным способом, включающие зону подачи воды, зону замораживания с морозильной камерой и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с отделяющим лед элементом и раздельные патрубки для вывода талой питьевой воды, (патенты RU №2315902, 2561983).
Недостатком таких устройств является также небольшая производительность и значительные энергозатраты.
Известно устройство очистки воды, которое предусматривает получение из исходной воды льда путем замораживания водяного пара, получаемого путем создания в корпусе устройства разряжения и конденсации и замерзания образовавшегося пара на трубках морозильника устройства при температуре, не превышающей +10С, с последующим оттаиванием для получения питьевой воды (патент RU №2010772, кл. C02F 9/00 от 25.08.1992 г.).
Недостатком таких устройств является также небольшая производительность, значительные энергозатраты и ступенчатая очистка воды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является вымораживающая опреснительная установка для получения талой питьевой воды, которая включает зону подачи воды, зону замораживания с морозильной камерой и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое, а также включает льдогенератор непосредственного охлаждения, сепаратор, конденсатор, холодильный компрессор и теплообменник, размещенные в блоке, насосы и трубопроводы, при этом блок установки выполнен в виде вертикальных наружной и внутренней труб, соосно размещенных одна в другой, между которыми расположены рифленые и гладкостенные цилиндры, а во внутренней трубе смонтирован вертикальный вал, кинематически связанный с электродвигателем, на котором расположены шнек и скрепер, разделенные фильтровальной решеткой (патент RU №347247, кл. B63J 1/00 от 23.10.1970).
Недостатком такого устройства является небольшая производительность и сложность конструкции, обусловленная процессом намораживания на поверхность льда с последующим механическим его отделением и таяньем, обеспечение некачественного теплообмена для уменьшения энергозатрат, наличие дополнительных механизмов с электроприводом, увеличивающих энергозатраты.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение производительности и упрощение конструкции.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом водоочистителе воды путем ее замораживания, включающем зону подачи воды, зону замораживания воды, зону оттаивания воды, патрубок подвода исходной воды, раздельные патрубки отвода примесей и очищенной талой воды, а также включающий холодильный компрессор, насосы, вакуумный компрессор и систему датчиков, управляющих устройств, труб и трубопроводной арматуры, согласно полезной модели, водоочиститель состоит из цилиндрических емкостей и обечаек, концентрично установленных на платформе и закрытых сверху герметично цилиндрическим колпаком, к нижней поверхности платформы прикреплен теплообменник с испарителем в центральной части холодильного агрегата, горячая часть (конденсатор) которого размещена в полости между емкостью и колпаком, в верхней части в переднем фланце теплообменника установлена форсунка-клапан, над теплообменником располагается клапанное устройство для воздуха, в нижней части в заднем фланце теплообменника выполнены каналы и отверстия для подвода исходной воды и отвода рассола от теплообменника, в нижней части аппарата установлены компрессор холодильного агрегата, насос высокого давления для закачки воды на очистку, распределительные блоки для перераспределения направлений потоков воды в аппарате, торообразная, охватывающая теплообменник, емкость и насос для перекачки очищенной воды, в верхней части аппарата установлен компрессор для откачки воздуха из аппарата и распределительный блок для перераспределения подачи воздуха, труба для подведения воды на очистку, труба откачивания воды из водоочистителя, труба для слива отходов после очистки, труба для подачи воздуха от компрессора, труба для сбрасывания в атмосферу излишков воздуха, колпак и теплообменник покрыты теплоизоляцией для уменьшения тепловых потерь.
Впрыскивание воды в зону замораживания с низкой температурой обеспечивает почти мгновенное образование мельчайших кристаллов льда, становящихся центрами кристаллизации, которые в процессе перемещения воды по емкости замораживания значительно ускорят процесс льдообразования.
В процессе работы установки дополнительно происходит откачивание воздуха из зоны замораживания, создание разряжения с частичной подачей воздуха обратно в зону замораживания, который, поднимаясь к поверхности воды мелкими пузырьками, создаст дополнительные центры кристаллизации воды, еще больше ускоряя процесс льдообразования.
Для процесса отделения ледяной шуги от рассола использован метод флотации. Ледяная шуга за счет меньшей плотности поднимется на поверхность и, при определенном скоплении, верхние слои выйдут из рассола, уровень повысится выше края емкости зоны замораживания и начнется самопроизвольное поступление ледяной шуги из зоны замораживания в зону оттаивания.
Получаемая очищенная вода, возможно, не будет удовлетворять требованиям качества очистки. Д ля повышения качества очистки в установке возможно предусмотреть дополнительно, перед поступлением шуги в зону оттаивания, ее промывку.
Сущность технического решения поясняется схемой работы установки, показанной на фиг. 1 и чертежами предлагаемой конструкции установки фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5., где изображены:
1. Конденсатор (горячая часть);
2. Насос высокого давления;
3. Теплообменник;
4. Форсунка-клапан;
5. Цилиндрических емкость;
6. Испаритель;
7. Холодильный агрегат;
8. Цилиндрических емкость;
9. Обечайка;
10. Колпак;
11. Конденсатор;
12. Распределительный блок;
13. Емкость;
14. Насос;
15. Труба;
16. Компрессор;
17. Распределительный блок;
18. Клапанное устройство для воздуха;
19. Распределительный блок;
20. Труба;
21. Платформа;
22. Труба;
23. Труба;
24. Труба;
25. Труба;
26. Теплоизоляция;
27. Теплоизоляция;
Водоочиститель очистки воды путем ее замораживания состоит из цилиндрических емкостей 5 и 8, и обечаек 9, концентрично установленных на платформе 21 и закрытых сверху герметично цилиндрическим колпаком 9 (фиг. 2).
К нижней поверхности платформы 21 прикреплен теплообменник 3, с испарителем 6 в центральной части холодильного агрегата 7, горячая часть (конденсатор) 1 (фиг. 3) которого размещена в полости между емкостью 8 и колпаком 10 (фиг. 2).
В верхней части в переднем фланце теплообменника установлена форсунка-клапан 4, над теплообменником располагается клапанное устройство для воздуха 18 (фиг. 4), в нижней части в заднем фланце 21 (фиг. 5) теплообменника 3 (фиг. 2) выполнены каналы и отверстия для подвода исходной воды и отвода рассола от теплообменника. В нижней части аппарата установлены компрессор 7 холодильного агрегата, насос высокого давления 2 для закачки воды на очистку, распределительные блоки 12, 17, 19 для перераспределения направлений потоков воды в аппарате, торообразная, охватывающая теплообменник, емкость 13 и насос 14 для перекачки очищенной воды (фиг. 2). В верхней части аппарата установлен компрессор 16 для откачки воздуха из аппарата и распределительный блок 17 для перераспределения подачи воздуха.
Вода на очистку подводится по трубе 22 (фиг. 1), очищенная вода откачивается из установки по трубе 23, отходы после очистки сливаются по трубе 15. По трубе 24 воздух от компрессора подается в аппарат, по трубе 25 излишки воздуха сбрасывается в атмосферу. Для уменьшения тепловых потерь колпак 10 и теплообменник 3 покрыты теплоизоляцией 26,27 (фиг. 2).
Водоочиститель работает следующим образом:
Водоочиститель делится на зоны А - с полостями поступления воды, Б - с полостями замерзания, В - с полостями оттаивания.
От водопроводной сети неочищенная вода первоначально поступает в теплообменник 1 зоны оттаивания В, проходя его и обмениваясь теплом с ледяной шугой в зоне оттаивания льда, вода поступает к насосу высокого давления 2. Насосом высокого давления исходная вода через теплообменник 3, смонтированный в нижней части установки, и форсунку-клапан 4, установленную в верхней крышке теплообменника, впрыскивается в центральную емкость 5 зоны замораживания установки Б, уже полностью наполненной до нужного уровня охлажденной водой.
Вновь поступающая вода, проходя теплообменник зоны оттаивания, предварительно охлаждается, затем, проходя теплообменник, установленный в нижней части установки, охлаждается до нужной температуры, сжимается до установленного давления и впрыскивается в центральную емкость установки через форсунку-клапан, которая настроена на открытие при определенном давлении.
Охлаждение в теплообменнике, установленном в нижней части установки, происходит за счет теплообмена поступающей в аппарат воды с рассолом (отходами), сливающимися через теплообменник, и дополнительно прохождением, перед впрыскиванием, через испаритель 6 холодильного агрегата 7, размещенный в центральной части теплообменника.
При впрыскивании температура предварительно охлажденной в теплообменнике поступающей воды еще больше понижается, смешиваясь с водой в центральной емкости зоны замораживания, что приводит к образованию кристаллов льда, которые поднимаются к поверхности воды.
С впрыскиванием воды уровень в центральной емкости зоны замораживания повысится, и вода с образовавшимися льдинками переливаясь через край, поступит во вторую емкость 8 зоны замораживания, в которой поддерживается постоянно необходимый уровень воды. При смешивании с уже имеющейся водой в ней продолжится образование кристаллов льда.
Вторая емкость зоны замораживания обечайками 9, установленными в ней, разделена на несколько цилиндрических полостей, обечайки установлены так, что поступившая из центральной емкости вода, проходя от центральной области к периферии емкости, двигается поочередно, то к верху, то к низу, обеспечивая более интенсивное перемешивание и образование кристаллов льда.
Образующиеся в процессе прохождения через установку воды кристаллы льда скапливаются на поверхности воды и постепенно перемещаются по поверхности к краю емкости, и, при определенном накоплении их у края, самопроизвольно начнут поступать в зону оттаивания, в пространство между второй емкостью и колпаком 10, закрывающим обе емкости, образуя герметичное пространство.
В этой полости поступившие кристаллы льда вступают в теплообмен с поступающей исходной водой и конденсатором 11, горячей частью холодильного агрегата, превращаются в воду и, при достижении определенного уровня, через распределительное устройство 12 сливаются в емкость для очищенной воды 13. При достижении в емкости для очищенной воды определенного ее уровня насос на откачку 14 начинает откачивать воду и отправлять по назначению.
Оставшаяся вода, после отделения замерзшей ее части, дойдя до периферии второй емкости, через отверстия в дне поступает в теплообменник, обменивается теплом с вновь поступающей водой и сливается по трубе 15 в канализацию.
В процесс образования льда установленным в аппарате компрессором 16 из герметичной области под колпаком откачивается воздух, создавая там определенное разряжение, при котором вода закипает и ускоряется образование льда. Откачиваемый воздух через распределительное устройство 17 частично выбросится в атмосферу, отводя тепло, выделяемое при кристаллизации воды, и частично поступит обратно через клапан 18 в нижнюю часть аппарата, в объеме, обеспечивающем поддержание нужного разряжения за счет распределительного устройства. Подача воздуха в аппарат обеспечивает более интенсивное перемешивание воды, что повышает эффективность образования льда.
Для вывода аппарата на рабочий режим необходимо проделать определенные манипуляции, посредством которых в аппарате установится необходимый температурный режим.
Для этого распределительными устройствами 19 и 12 перекрывается слив отходов в канализацию и слив в емкость для очищенной воды. Насосом высокого давления в аппарат закачивается вода из водопроводной сети до уровня, обеспечивающего заполнение всех его полостей.
Затем распределительным устройством насос высокого давления подключается по трубе 20 к сливу рассола из аппарата и при его работе вода начинает циркулировать в аппарате.
В ходе циркуляции воды, она, проходя через холодильный агрегат теплообменника, охлаждается и при циркуляции охлаждается вся вода в аппарате. По достижению необходимой температуры воды в аппарате насос высокого давления распределительным устройством подключается к водопроводной сети, а слив с аппарата соединяется со сливом в канализацию. Одновременно распределительное устройство соединяет слив из полости между емкостью и куполом с емкостью под чистую воду, сливающаяся вода насосом на откачку полностью откачивается. Происходит понижение уровня воды в аппарате до необходимого уровня, а полость между второй емкостью и колпаком полностью освобождается от воды, и аппарат начинает работать в нормальном режиме.
В ходе работы аппарата для увеличения или уменьшения доли образующегося льда распределительным устройством можно обеспечить частичную циркуляцию воды в аппарате.
Использование частичной циркуляции, увеличивающей долю образующегося льда, одновременно понизит производительность установки.