СЕКЦИОННОЕ ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Полезная модель относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации, в частности к устройствам для периодического замораживания и оттаивания льда в системах очистки загрязненной воды, и может быть использована для получения питьевой воды в пищевой промышленности и медицине, на предприятиях общественного питания, в гостиницах, в многоквартирных и элитных жилых домах.
Известно теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации (патент RU №169751, МПК (2006.01) C02F 1/22, дата публикации 31.03.2017), содержащее корпус со смонтированными внутри внешней и внутренней емкостями цилиндрической формы, обечайки, смонтированные между упомянутыми емкостями коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевых камер, сообщающихся между собой по воде под и над обечайками, охлаждающие и нагревательные элементы и средства для подачи и слива воды. Между стенкой корпуса и внешней емкостью расположены изолированные друг от друга камеры для подачи загрязненной воды и для оттаивания кристаллов льда. Корпус закреплен на платформе и герметично закрыт крышкой. Охлаждающие элементы выполнены в виде испарителя, смонтированного в теплообменнике, закрепленном на нижней поверхности платформы. Теплообменник содержит камеры для поступления загрязненной воды после ее предварительного охлаждения в соответствующей полости корпуса. Испаритель выполнен с возможностью соединения с холодильной установкой. На платформе между теплообменником и корпусом смонтированы форсунка-клапан для воды и клапанное устройство для воздуха. Нагревательные элементы выполнены в виде конденсатора, размещенного в камере для оттаивания кристаллов льда. Средство для подачи загрязненной воды выполнено в верхней части этой камеры корпуса, а средство для ее слива выполнено в нижней части этой камеры и соединено с камерой теплообменника через насос высокого давления. Средство для слива чистой воды выполнено в нижней части камеры для оттаивания, а средство для слива концентрата загрязненной воды выполнено в нижней части теплообменника.
Устройство работает одновременно в режимах кристаллизации воды и оттаивания кристаллов льда со сливом образовавшейся чистой воды в накопительную емкость. Загрязненная вода первоначально поступает в одноименную камеру корпуса и, проходя рядом с камерой оттаивания, охлаждается за счет теплообмена с находящейся в ней ледяной шугой. Охлажденная загрязненная вода через сливной патрубок выводится из камеры корпуса и посредством насоса высокого давления подается в камеру теплообменника, в котором дополнительно охлаждается как за счет теплообмена с рассолом загрязненной воды, поступающим в теплообменник для последующего слива, так и за счет теплообмена с испарителем холодильного агрегата. Охлажденную в теплообменнике загрязненную воду через форсунку-клапан впрыскивают во внутреннюю емкость корпуса, предварительно наполненную охлажденной водой до заданного уровня. В результате впрыскивания температура воды дополнительно понижается и при ее перемешивании с водой, находящейся во внутренней емкости, происходит быстрое образование кристаллов льда, которые поднимаются к поверхности воды. Избыточная масса воды с кристаллами льда переливается через край в близлежащую кольцевую камеру, в которой также поддерживается заданный уровень воды и продолжается образование кристаллов льда. В результате циркуляции между обечайками в кольцевых камерах загрязненная вода с кристаллами льда перемещается из внутренней емкости во внешнюю емкость. При этом в кольцевых камерах загрязненная вода с кристаллами льда движется поочередно то вверх, то вниз и интенсивно перемешивается с образованием новых кристаллов льда. Последние скапливаются на поверхности загрязненной воды у стенки корпуса и самопроизвольно перемещаются в камеру оттаивания. В результате теплообмена с конденсатором кристаллы льда оттаивают, и чистая вода сливается в накопительную емкость. Оставшаяся охлажденная загрязненная вода поступает в теплообменник, где обменивается теплом с вновь поступающей водой, после чего сливается в канализацию. В процессе работы устройства производят откачивание воздуха из корпуса, что создает дополнительные центры кристаллизации и ускоряет процесс образования льда.
Недостатками известного технического решения являются:
- низкое качество очищенной воды, обусловленное насыщением поверхностных слоев кристаллов льда солями и примесями из загрязненной воды в процессе ее циркуляции между кольцевыми камерами;
- повышенный расход воды, обусловленный необходимостью ее постоянной циркуляции для обеспечения процесса кристаллизации.
Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент UA №21766, МПК (2006) F25D 11/00, дата публикации 30.04.1998), содержащее по меньшей мере две секции с расположенными внутри них теплообменными камерами, изолированными друг от друга, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы, нагревательные элементы спиральной формы, спиральные ребра и средства для подачи и слива воды. Охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы смонтированы в теплообменных камерах вдоль их продольной оси и закреплены в их верхних частях с образованием в нижних частях карманов для сбора воды. Нагревательные элементы спиральной формы закреплены в верхних частях охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы. Спиральные ребра закреплены на упомянутых элементах трубчатой формы под элементами спиральной формы. Секции выполнены из термоизолирующего материала и содержат в верхних частях карманы для подачи загрязненной воды. Последние содержат отверстие диаметром 1,5-3,0 мм, расположенное с возможностью пленочного натекания исходной воды на поверхность спиральных ребер. Теплообменные камеры соединены между собой посредством парового распределителя, смонтированного в верхних частях секций. Охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы выполнены из трубок диаметром 20-30 мм с закрытыми нижними торцами и соединены в нижних частях посредством дроссельного вентиля. Нагревательные элементы спиральной формы выполнены в виде капиллярной трубки. Последняя выполнена с возможностью соединения на входе с линией нагнетания компрессора через паровой распределитель, а на выходе - с верхней частью соответствующего охлаждающего и нагревательного элемента трубчатой формы. Спиральные ребра смонтированы на расстоянии 10-15 мм от нагревательных элементов спиральной формы и выполнены высотой и шагом 6-12 мм.
Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды с образованием чистого льда на спиральных ребрах и в режиме оттаивания льда со сливом образовавшейся чистой воды. В режиме замораживания вода поступает в теплообменную камеру первой секции и стекает вниз по спиральным ребрам. Предварительно сжатый в компрессоре хладагент через золотниковый распределитель поступает в нагревательный элемент спиральной формы и в результате теплообмена с водой конденсируется. Замораживание воды начинается в нижней части спиральных ребер, постепенно перемещаясь вверх. При этом вновь поступающая вода стекает по поверхности образующегося льда, вымывая из его поверхностного слоя механические и органические примеси. Незамерзший концентрированный рассол загрязненной воды скапливается в кармане для слива и выводится из теплообменной камеры. Замораживание загрязненной воды осуществляют при температуре минус 4-5°С. После заполнения льдом пространства между спиральными ребрами отверстие в кармане для подачи воды замораживается и дальнейшее ее поступление в теплообменную камеру автоматически прекращается.
Во второй секции в это время реализуется режим оттаивания льда на спиральных ребрах. Конденсат хладагента из первой секции через дроссельный вентиль поступает в нижнюю часть охлаждающего и нагревательного элемента трубчатой формы во второй секции и одновременно через золотниковый распределитель конденсат подается на вход нагревательного элемента спиральной формы. Процесс оттаивания льда начинается в верхней части спиральных ребер, что обеспечивает промывку талой водой нижележащих поверхностей льда. По мере повышения температуры в теплообменной камере оттаивание охватывает нижележащие слои льда на спиральных ребрах. Первоначальный объем талой воды, содержащей некоторое количество примесей, выводят через сливной патрубок из кармана для сброса воды, после чего его закрывают и в кармане накапливается очищенная вода, которую сливают в накопительный бак. Пары хладагента из охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы и нагревательных элементов спиральной формы через золотниковый распределитель поступают на линию всасывания компрессора. Управление процессом слива рассола загрязненной воды в режиме замораживания и слива первой талой загрязненной воды и последующей очищенной воды в режиме оттаивания льда осуществляют посредством сильфонных распределителей, термочувствительные баллоны которых закреплены на закрытых нижних торцах охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы. Управление процессом циркуляции хладагента осуществляют посредством парового золотникового распределителя, действующего от импульса давления хладагента холодильной машины.
Теплообменное устройство выполнено в виде приставки к холодильнику «Днепр». Производительность устройства составляет около 1 л/ч очищенной талой воды с остаточным содержанием солей, соответствующих требованиям к качеству питьевой воды. Выход очищенной воды составляет не более 10-15% от объема поступающей загрязненной воды.
Недостатками известного технического решения являются низкая производительность и сравнительно большой расход загрязненной воды при осуществлении ее очистки.
Низкая производительность связана, прежде всего, со снижением скорости циркуляции жидкого хладагента при прохождении им сверху вниз внутри охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, что существенно снижает величину коэффициента теплопередачи между хладагентом и водой, подаваемой для очистки. Кроме этого, в режиме замораживания жидкий хладагент образует внутри упомянутых элементов гидростатический столб, что повышает температуру его кипения в нижней части и, соответственно, уменьшает разность температур при теплопередаче. Сравнительно большой расход воды при очистке связан с тем, что в режиме замораживания незамерзший остаток загрязненной воды после вывода из теплообменной камеры не используют повторно, а утилизируют.
В основу полезной модели поставлена задача повышения производительности теплообменного устройства для системы очистки воды методом перекристаллизации за счет иного конструктивного выполнения охлаждающих и нагревательных элементов и средств для замораживания воды и оттаивания льда.
Технический результат от реализации поставленной задачи заключается в существенном уменьшении продолжительности режимов замораживания воды и оттаивания льда за счет иного выполнения охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы и режима оттаивания льда за счет введения дополнительного нагревательного элемента. Указанный технический результат достигается при одновременном снижении расхода исходной воды за счет исключения возможности ее стекания за пределы спиральных ребер в режиме замораживания воды.
Поставленная задача решается тем, что секционное теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, содержащее две секции с расположенными внутри них изолированными друг от друга теплообменными камерами, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы, смонтированные в теплообменных камерах вдоль их продольной оси, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра, закрепленные на охлаждающих и нагревательных элементах трубчатой формы, и средства для подачи и слива воды, при этом секции выполнены из термоизолирующего материала, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы закреплены в верхних частях теплообменных камер с образованием в их нижних частях карманов для сбора воды, а нагревательные элементы спиральной формы закреплены в верхних частях упомянутых элементов трубчатой формы и выполнены с возможностью соединения с контуром циркуляции хладагента при оттаивании льда, согласно полезной модели содержит в каждой из теплообменных камер дополнительные нагревательные элементы и экраны цилиндрической формы, охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы состоят из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, нагревательные элементы спиральной формы и спиральные ребра закреплены на наружной трубе, экраны закреплены на спиральных ребрах с образованием кольцевой полости между ними и наружной трубой, а средство для подачи воды выполнено с возможностью ее направленной подачи в кольцевую полость, при этом дополнительные нагревательные элементы закреплены в нижней части теплообменной камеры с наружной стороны экрана, внутренняя труба выполнена с открытым нижним торцом, наружная труба выполнена с закрытым нижним торцом, длина внутренней трубы меньше длины наружной трубы, их верхние части выполнены с возможностью попеременного соединения с соответствующими контурами циркуляции хладагента при замораживании воды и оттаивании льда и с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы в режиме оттаивания льда, а дополнительные нагревательные элементы выполнены с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда.
Целесообразно также, чтобы длина внутренней трубы была меньше длины наружной трубы на 0,25-0,5 диаметра последней.
Целесообразно также, чтобы средство для подачи воды было выполнено в виде коллектора-разбрызгивателя.
Целесообразно также, чтобы дополнительные нагревательные элементы были выполнены в виде трубчатых секций конденсатора с ребрами.
Усовершенствованная конструкция секционного теплообменного устройства для системы очистки воды методом перекристаллизации обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, введение в теплообменные камеры экранов цилиндрической формы, закрепленных на спиральных ребрах, позволяет ограничить объем зон замораживания воды и оттаивания льда поверхностью спиральных ребер, что повышает эффективность теплопередачи при перекристаллизации. Кроме этого, использование экранов повышает турбулентность потока воды вблизи поверхности спиральных ребер и за счет этого дополнительно увеличивает эффективность теплопередачи при ее замораживании. Введение в теплообменные камеры дополнительных нагревательных элементов, закрепленных в нижних частях камер с наружной стороны экранов и выполненных с возможностью соединения с контуром хладагента в режиме оттаивания льда, позволяет сократить продолжительность этого режима.
Выполнение охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы из внутренней и наружной труб, расположенных коаксиально друг относительно друга, в сочетании с выполнением внутренней трубы с открытым нижним торцом, наружной трубы - с закрытым нижним торцом, а длины внутренней трубы - меньше длины наружной трубы, позволяет существенно увеличить коэффициент теплопередачи хладагента при замораживании воды и оттаивании льда как за счет увеличения протяженности его маршрута при циркуляции в теплообменных камерах, так и за счет организации циркуляции в узких кольцевых полостях между стенками внутренней и наружной труб. Использование кольцевой полости для циркуляции хладагента позволяет также существенно снизить негативное влияние гидростатического столба жидкого хладагента внутри труб, что повышает производительность устройства в режиме замораживания воды. Выполнение верхних частей внутренней и наружной труб с возможностью попеременного соединения с соответствующими контурами циркуляции хладагента при замораживании воды и оттаивании льда обеспечивает реализацию технического решения. Закрепление нагревательных элементов спиральной формы и спиральных ребер на наружной трубе также связано с реализацией вышеуказанных усовершенствований и направлено на обеспечение заявленного технического результата. Выполнение средств для подачи воды с возможностью ее направления в кольцевую полость между наружной трубой и экраном в сочетании с закреплением экрана на спиральных ребрах позволяет предотвратить разбрызгивание загрязненной воды при ее подаче на поверхность ребер и исключить возможность переливания за пределы спиральных ребер при движении по винтовой поверхности сверху вниз, что уменьшает расход загрязненной воды в режиме замораживания. Одновременно направленная подача воды на спиральные ребра позволяет улучшить качество льда при кристаллизации воды и качество очищенной воды при оттаивании льда за счет вымывания стекающей водой солей с его поверхностных слоев.
Конструкция устройства поясняется на примере его выполнения с двумя вертикально ориентированными секциями, работающими попеременно в режимах перекристаллизации воды.
Схематическое изображение конструкции устройства представлено на фигурах чертежей, где на фиг. 1 показано поперечное сечение устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема соединения устройства с контуром циркуляции воды; на фиг. 3 - принципиальная схема соединения устройства с контуром циркуляции хладагента.
Устройство состоит (фиг. 1) из секций 1 и 2 с расположенными внутри них теплообменными камерами 3 и 4. В каждой из теплообменных камер расположены внутренняя 5 и наружная 6 трубы охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы, экран 7 цилиндрической формы, нагревательные элементы спиральной формы 8, спиральные ребра 9, средство для подачи 10 и слива 11 воды. Секции 1 и 2 изолированы друг от друга перегородкой 12 и выполнены из теплоизолирующего материала.
Внутренняя 5 и наружная 6 трубы расположены вдоль продольной оси теплообменных камер 3 и 4 и закреплены в их верхних частях. При этом упомянутые трубы 5 и 6 и экран 7 расположены коаксиально друг относительно друга с образованием между их стенками кольцевых полостей. Длина труб 5 и 6 и экрана 7 меньше высоты теплообменных камер 3 и 4, а длина внутренней трубы 5 меньше длины наружной трубы 6 на 0,25-0,5 диаметра последней. Внутренняя труба 5 выполнена с открытым нижним торцом, а наружная труба 6 выполнена с закрытым нижним торцом с образованием сообщающихся цилиндрической и кольцевой полостей (не обозначены) для циркуляции хладагента. Верхние концы внутренней 5 и наружной 6 труб выполнены с возможностью соединения с соответствующими контурами циркуляции хладагента при замораживании воды и оттаивании льда.
Нагревательные элементы спиральной формы 8 закреплены в верхней части наружной трубы 6. На упомянутой трубе 6 закреплены также спиральные ребра 9. Расположение упомянутых элементов спиральной формы 8 в верхней части наружной трубы 6 позволяет повысить интенсивность оттаивания льда в этой зоне и организовать сток талой воды сверху вниз по спиральным ребрам 9, что обеспечивает удаление солей и примесей с поверхности нижележащих слоев льда. Экран 7 закреплен плотной посадкой на упомянутых ребрах 9 и выполнен в виде обечайки из тонкостенного материала, например, полиэтилена высокой плотности толщиной 1-2 мм, с внутренним диаметром, соответствующим наружному диаметру спиральных ребер 9. Указанное расположение экрана 7 позволяет ограничить объем льдообразования и плавления льда внутри теплообменных камер 2 и 3 узкой кольцевой зоной, что повышает эффективность теплопередачи хладагента и существенно уменьшает продолжительность режимов замораживания воды и оттаивания льда. Верхние части внутренней 5 и наружной 6 труб охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы выполнены с возможностью соединения с нагревательными элементами спиральной формы 8 в режиме оттаивания льда.
В зависимости от режима работы теплообменного устройства в охлаждающих и нагревательных элементах трубчатой формы циркулирует либо кипящий хладагент - режим замораживания воды, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания льда. Выполнение охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы с образованием сообщающихся между собой цилиндрической полости, расположенной во внутренней трубе 5, и кольцевой полости, расположенной между стенками внутренней 5 и наружной 6 труб, обеспечивает устойчивую циркуляцию хладагента за счет изменения направления его движения в указанных полостях в режимах замораживания воды и оттаивания льда и за счет исключения эффекта гидростатического столба жидкого хладагента в режиме замораживания воды. При этом за счет увеличения протяженности маршрута циркуляции хладагента и за счет организации его циркуляции в узкой кольцевой полости между стенками внутренней 5 и наружной 6 труб существенно увеличивается коэффициент теплопередачи хладагента в указанных режимах. Кроме этого, наличие кольцевой полости во внутренней трубе 5 «сглаживает» перепады температур между хладагентом внутри кольцевой полости и загрязненной водой или льдом на спиральных ребрах 9, что дополнительно сокращает продолжительность режимов замораживания воды и оттаивания льда, снижает энергозатраты и увеличивает эффективность теплообменного устройства.
Средства для подачи воды 10 расположены в верхних частях секций 1 и 2 и соединены с коллекторами-распылителями 13, выполненными с возможностью направленной подачи воды на верхние витки спиральных ребер 9 в кольцевых полостях между стенкой наружной трубы 6 и экраном 7. Средства для слива 11 предназначены для слива концентрированного рассола загрязненной воды в режиме замораживания воды, а также для слива первой талой воды и последующей очищенной воды в режиме оттаивания льда. Упомянутые средства 11 расположены в нижних частях теплообменных камер 3 и 4 и выполнены с возможностью управления их действием в режимах замораживания воды и оттаивания льда.
В нижних частях теплообменных камер 3 и 4 смонтированы дополнительные нагревательные элементы 14, выполненные в виде трубчатых секций конденсатора с ребрами. Дополнительные нагревательные элементы 14 расположены вдоль экранов 7 на расстоянии 5-10 мм от их поверхности и выполнены с возможностью соединения с контуром конденсирующего хладагента в режиме оттаивания льда.
Представленное в рассмотренном примере конструктивное исполнение теплообменного устройства не исчерпывает всех возможных вариантов его исполнения, обеспечивающих получение заявленного технического результата. В частности, теплообменное устройство может содержать любое количество секций, кратное двум, а в теплообменных камерах может быть смонтировано по несколько охлаждающих и нагревательных элементов трубчатой формы с закрепленными на них нагревательными элементами спиральной формы и спиральными ребрами и несколько дополнительных нагревательных элементов. Выполнение теплообменных устройств с разным количеством секций позволяет создать унифицированный ряд системы очистки воды с заданной производительностью.
Работа теплообменного устройства поясняется на примере его использования в системе очистки воды.
Теплообменное устройство соединено с контурами циркуляции воды (фиг. 2) и хладагента (фиг. 3, секции 1 и 2 не показаны). Управление устройством в автоматическом режиме осуществляет контроллер 15 блока управления в соответствии с алгоритмом заложенной программы. Контур циркуляции воды содержит, по меньшей мере: емкости для загрязненной воды 16 и для очищенной воды 17, насос 18, регулирующие клапаны 19-22 и соединяющие их трубопроводы (не обозначены). Контур циркуляции хладагента содержит: компрессор 23 и конденсаторы 24 и 25 холодильной машины, регулирующие клапаны 26-35 и терморегулирующие клапаны 36 и 37, ресивер-распределитель 38, теплообменник 39 и соединяющие их трубопроводы (не обозначены). В секциях 1 и 2 функции испарителя и конденсатора холодильной машины попеременно выполняют охлаждающие и нагревательные элементы трубчатой формы, а функции конденсатора - нагревательные элементы 8 и 14. Вышеприведенный состав системы является условным и приведен исключительно для пояснения принципа работы теплообменного устройства в попеременных режимах замораживания воды и оттаивания льда.
Включение системы осуществляют с пульта управления посредством контроллера 15, который в соответствии с заданным алгоритмом программы запускает контуры циркуляции воды и хладагента, обеспечивающие первоначальную работу секции 1 в режиме замораживания воды, а секции 2 - в режиме оттаивания льда. Циркуляцию воды в контуре осуществляют посредством насоса 18, в который загрязненная вода поступает после предварительной очистки в фильтре от механических примесей и охлаждения в аккумуляторе холода (не показаны). Насос 18 подает загрязненную воду под давлением в коллектор-разбрызгиватель 13 через соответствующий трубопровод, клапан 21 и патрубок 10. В теплообменной камере 3 коллектор-разбрызгиватель 13 направляет загрязненную воду на верхнюю часть спиральных ребер 9 в кольцевой полости между экраном 7 и наружной трубой 6 (фиг. 2). Одновременно в соответствии с заданным алгоритмом контроллер 15 включает компрессор 23 и конденсаторы 24 и 25 холодильной машины, после чего охлажденный жидкий хладагент из конденсатора 24 через ресивер-распределитель 38, теплообменник 39, терморегулирующий вентиль 36 и клапан 26 поступает в верхнюю часть внутренней трубы 5 (фиг. 3). Во внутренней трубе 5 жидкий хладагент опускается вниз и перетекает в кольцевую полость между стенками труб 5 и 6, где меняет направление и поднимается вверх. Загрязненная вода стекает по спиральным ребрам 9 во встречном с жидким хладагентом направлении и в результате теплообмена с ним быстро охлаждается и замораживается. Незамороженную часть загрязненной воды выводят из теплообменной камеры 3 через сливной патрубок 11 и открытый электромагнитный клапан 19 в емкость 16. В соответствии с заданным алгоритмом насос 18 обеспечивает 40-50 кратную рециркуляцию загрязненной воды из емкости 16 в теплообменную камеру 3. Примерно через 20-30 мин после включения режима замораживания воды при температуре хладагента минус 12°С на поверхности спиральных ребер 9 образуется слой льда толщиной около 9 мм, после чего контроллер 15 закрывает клапаны 19 и 21, и рециркуляция воды из емкости 16 прекращается. Незамерзший жидкий концентрат загрязненной воды, содержащий механические примеси и большое количество солей, сливают из емкости 16 через аккумулятор холода (не показан) для последующей утилизации, а емкость 16 заполняют новой порцией загрязненной воды, предварительно очищенной в фильтре от механических примесей и охлажденной в аккумуляторе холода. В результате теплообмена с водой в режиме замораживания жидкий хладагент полностью выкипает и испаряется. Образовавшийся пар хладагента выводят из верхней части кольцевой полости между трубами 5 и 6 и по трубопроводам через клапан 31 и теплообменник 39 подают на вход компрессора 23. После этого цикл замораживания воды в теплообменной камере 3 заканчивается.
Теплообменная камера 4 в это время работает в режиме оттаивания льда. На вход нагревательных элементов спиральной формы 8 конденсирующий хладагент поступает из конденсатора 24 по трубопроводам через теплообменник 39, терморегулирующий вентиль 36, ресивер-распределитель 38 и клапан 29 (фиг. 3). На выходе из упомянутых элементов 8 конденсирующий хладагент поступает в верхнюю часть кольцевой полости между стенками труб 5 и 6. Циркуляция конденсирующего хладагента через нагревательные элементы спиральной формы 8 и кольцевую полость между стенками труб 5 и 6 обеспечивает одновременное оттаивание верхней и нижней поверхностей льда на спиральных ребрах 9. При этом закрепление нагревательных элементов спиральной формы 8 в верхней части наружной трубы 6 повышает интенсивность таяния льда в этой зоне спиральных ребер 9. Из кольцевой полости между стенками труб 5 и 6 конденсирующий хладагент перетекает во внутреннюю трубу 5. За счет теплообмена со льдом на спиральных ребрах 9 хладагент полностью конденсируется и в виде пара выводится из внутренней трубы 5. По трубопроводам пар поступает в клапан 28 и далее в терморегулирующий вентиль 37, где дросселируется и смешивается с жидким хладагентом, который вновь подают в верхнюю часть внутренней трубы 5, расположенную в теплообменной камере 3. В теплообменной камере 4 талая вода стекает по спиральным ребрам 9 в ее нижнюю часть, откуда через патрубок 11 и клапан 20 выводится в емкость 17 (фиг. 2).
После окончания замораживания воды в теплообменной камере 3 и оттаивания льда в теплообменной камере 4 контроллер 15 одновременно переключает все клапаны контуров циркуляции воды и хладагента. Направление циркуляции хладагента после переключения режимов работы показано на схеме штриховыми стрелками (фиг. 3). В следующем цикле оттаивание льда будет протекать в теплообменной камере 3, замораживание воды - в теплообменной камере 4.
Использование в теплообменных камерах 3 и 4 нагревательных элементов 14, соединенных с конденсатором 25, позволяет существенно уменьшить продолжительность режима оттаивания льда. Управление включением и выключением нагревательных элементов 14 осуществляет контроллер 15 посредством электромагнитных клапанов 33 и 34.
В зависимости от степени загрязнения исходной воды производительность одного теплообменного устройства в системе очистки воды составляет от 500 до 1500 л/сутки. При этом обеспечивается необходимое качество очищенной воды в сочетании с высоким коэффициентом ее извлечения из загрязненной воды, что существенно снижает эксплуатационные затраты. Повышение производительности заявляемого устройства по сравнению с известными техническими решениями обеспечивается за счет следующих факторов:
- увеличения коэффициента теплопередачи от хладагента в режимах замораживания воды и оттаивания льда;
- использования в режиме оттаивания льда дополнительных нагревательных элементов 14;
- ограничения зоны перекристаллизации экраном 7.
Заявляемая конструкция теплообменного устройства апробирована в системах очистки загрязненной воды, в т.ч. с общей минерализацией до 2%. Результаты проверки показали, что использование заявляемого устройства обеспечивает эффективную и качественную очистку загрязненной воды. Сочетание в устройстве достаточно большой производительности и высокого качества очистки воды позволяет использовать его в системах, предназначенных для оборудования медицинских учреждений, пищевых предприятий, торговых киосков, элитных и многоквартирных жилых домов, гостиниц и других объектов, связанных с большим потреблением чистой воды. При этом заявляемое устройство позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения. Снижение затрат при эксплуатации обеспечивается за счет повышения производительности устройства, в том числе за счет возможности многократной рециркуляции загрязненной воды в процессе очистки, что существенно снижает объемы ее потребления.