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 одно- и многоступенчатых системах очистки технической, загрязненной, засоленной и морской воды, которые используют для получения талой питьевой воды.
Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА 017783, МПК(2006.01) C02F 1/22, дата публикации 29.03.2013), состоящее из корпуса, охлаждающего и нагревательного элементов, теплоизолирующего кожуха, средства для слива воды и средства для перемешивания воды. Охлаждающий и нагревательный элементы закреплены на наружной поверхности корпуса, при этом охлаждающий элемент выполнен в виде испарителя, а нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя. Средство для слива воды выполнено в виде патрубка, расположенного на стенке в нижней части корпуса. Средство для перемешивания воды выполнено в виде водяной помпы (или лопастей механической мешалки), смонтированной в центре днища.
Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды с образованием чистого пристеночного льда на внутренней поверхности корпуса и в режиме оттаивания пристеночного льда со сливом образовавшейся чистой воды в накопительную емкость. При этом в режиме замораживания загрязненная вода с высоким содержанием солей скапливается в нижней части корпуса и выводится из нее через сливной патрубок. Средство для перемешивания воды используют в режиме замораживания после формирования тонкого слоя льда на стенках корпуса для более интенсивного охлаждения воды и ускорения процесса образования льда. Перемешивание загрязненной воды также способствует удалению с поверхности льда пузырьков воздуха и сорбированных на них частиц примесей, а также повышению интенсивности теплообмена внутри корпуса и отводу растворенных в воде примесей с границы раздела фаз. Работа режимов перекристаллизации в теплообменном устройстве осуществляется в системе очистки воды посредством автоматического блока управления под контролем соответствующих датчиков. Теплообменное устройство интегрировано в систему очистки воды, предназначенную для использования в быту, пищевой промышленности и медицине.
Объем загрязненной воды, заливаемой в корпус теплообменного устройства, составляет 1,5-2,0 л, а объем очищенной талой воды - 1,0-1,3 л. Полный цикл очистки указанного объема воды составляет 4,5-5,5 часов, в том числе продолжительность режима замораживания воды - 2,0-2,5 часа, а таяния льда - 2,5-3,0 часа.
Недостатком известного технического решения является большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность теплообменного устройства, обусловленные недостаточно рациональной геометрией полости в корпусе, в которой передача энергии от ее стенок к большому объему загрязненной воды замедляется пропорционально увеличению толщины намораживаемого слоя льда.
Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА 025716, МПК(2006.01) C02F 1/22, C02F 9/02, C02F 103/04, дата публикации 30.01.2017), состоящее из внешнего и внутреннего корпусов цилиндрической формы и охлаждающего и нагревательного элементов, закрепленных на внешнем корпусе с наружной стороны. Упомянутые корпусы расположены коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевой полости между их стенками. Внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами, а внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания крышкой. При этом внутренний корпус закреплен на вертикальной стойке с образованием зазора между его нижним торцом и днищем внешнего корпуса. Последнее выполнено куполообразным с понижением от цилиндрических стенок к центру, где расположен сливной патрубок. Охлаждающий элемент выполнен в виде испарителя, а нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя. Теплообменное устройство изолировано слоем термоизоляции, расположенным с наружной стороны охлаждающего и нагревательного элементов.
Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды с образованием чистого пристеночного льда на внутренней поверхности внешнего корпуса и в режиме оттаивания пристеночного льда со сливом образовавшейся чистой воды. Особенностью очистки воды в данном теплообменном устройстве является формирование слоя воды в кольцевой полости между стенками внешнего и внутреннего корпусов. В режиме замораживания в результате воздействия охлаждающих элементов при понижении температуры стенок внешнего корпуса до температуры минус (3-4)°С вода быстро охлаждается (в течение 3-5 мин) и формируется кольцевой фронт ее кристаллизации, направленный к внутреннему корпусу. При этом вода в кольцевой полости не перемешивается в объеме из-за существенного снижения конвективных потоков, что несколько повышает интенсивность формирования слоя льда на поверхности внешнего корпуса. После слива через патрубок жидкого концентрата примесей отключают охлаждающие элементы, включают нагревательные элементы и осуществляют оттаивание кольцевого слоя льда и слив чистой талой воды в накопительную емкость. Теплообменное устройство интегрировано в систему очистки воды, предназначенную для использования в быту, пищевой промышленности и медицине. Работой режимов перекристаллизации в теплообменном устройстве управляет автоматический блок под контролем соответствующих датчиков.
Полный цикл очистки загрязненной воды в теплообменном устройстве составляет не более 4,0 часов, при этом объем очищенной воды составляет не менее 66-80% от объема загрязненной воды при уменьшении содержания неорганических примесей не менее чем в 2,5 раза. Таким образом, использование кольцевой полости для замораживания воды позволило увеличить производительность теплообменного устройства в среднем на 25% по сравнению с устройством по патенту № ЕА 017783 при примерно одинаковом процентном выходе очищенной талой воды.
Недостатком известного технического решения (как и решения по патенту № ЕА 017783) является сравнительно большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность теплообменного устройства, обусловленные тем, что в режиме замораживания в кольцевой полости существенно замедляются конвективные процессы в загрязненной воде. При этом продолжительность режима оттаивания практически не изменяется по сравнению с устройством по патенту №ЕА017783. Кроме этого, замедление конвективных процессов в загрязненной воде существенно снижает качество льда, намораживаемого на стенках внешнего корпуса, и, соответственно, качество очищенной талой воды.
Вышеуказанные недостатки известных технических решений существенно ограничивают область их использования в системах очистки воды.
В основу заявляемой полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции теплообменного устройства для систем очистки воды методом перекристаллизации за счет разделения кольцевой полости между внешним и внутренним корпусами на охлаждающую и рециркуляционную зоны, введения средств для интенсификации конвективных процессов в кольцевой полости в режиме замораживания воды и иного расположения охлаждающих и нагревательных элементов, что позволяет повысить производительность теплообменного устройства.
Технический результат от реализации поставленной задачи заключается в существенном уменьшении продолжительности режимов замораживания загрязненной воды и оттаивания льда. Указанный технический результат достигается при одновременном повышении качества очистки воды.
Поставленная задача решается тем, что теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, содержащее внешний и внутренний корпусы цилиндрической формы и охлаждающие и нагревательные элементы, при этом упомянутые корпусы расположены коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевой полости между их стенками, причем внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами, а внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания крышкой и содержит сливной патрубок, согласно заявляемой полезной модели содержит перегородку цилиндрической формы, закрепленную между внешним и внутренним корпусами с образованием соответственно охлаждающей и рециркуляционной полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой и над ней, коллектор для подачи воздуха, смонтированный на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, и нагревательный элемент, закрепленный в верхней части внутреннего корпуса, при этом высота внутреннего корпуса соответствует высоте внешнего корпуса, причем внешний корпус выполнен с дополнительной внутренней стенкой цилиндрической формы, а охлаждающие и нагревательные элементы расположены между упомянутой стенкой и стенкой внешнего корпуса.
При этом целесообразно, чтобы в теплообменном устройстве соотношение высоты внешнего корпуса к его диаметру составляло 1,5-1,7, а высота перегородки составляла 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса.
Целесообразно также, чтобы высота дополнительной внутренней стенки цилиндрической формы соответствовала высоте внешнего корпуса.
Усовершенствованная конструкция теплообменного устройства для системы очистки воды методом перекристаллизации обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, деление кольцевой полости между внешним и внутренним корпусами посредством перегородки цилиндрической формы на две полости, охлаждающую и рециркуляционную, позволяет сузить зону формирования кольцевого фронта кристаллизации загрязненной воды, сместив его от внутреннего корпуса к упомянутой перегородке, и за счет этого повысить эффективность передачи энергии от стенок корпуса к объему загрязненной воды в режиме замораживания, что сокращает продолжительность этого режима. Это позволяет увеличить объем внешнего корпуса и, соответственно, объем чистой воды, полученной за один цикл очистки. Введение в конструкцию устройства коллектора для подачи воздуха, смонтированного на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, позволяет повысить интенсивность
конвективных процессов в загрязненной воде и за счет этого дополнительно уменьшить продолжительность процесса образования льда. При этом повышение интенсивности конвективных процессов одновременно улучшает качество льда на внутренней поверхности внешнего корпуса и, соответственно, качество очищенной воды, полученной в результате оттаивания этого льда. Введение нагревательного элемента, закрепленного в верхней части внутреннего корпуса, позволяет сократить продолжительность режимов замораживания и оттаивания. Выполнение внутреннего корпуса с высотой, соответствующей высоте внешнего корпуса, обеспечивает техническую реализацию вышеуказанных усовершенствований устройства.
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 внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов цилиндрической формы, перегородки 3 цилиндрической формы, охлаждающих и нагревательных элементов 4, нагревательного элемента 5, коллектора 6 для подачи воздуха, крышки 7 и теплоизоляционного покрытия 8, закрепленного на наружной поверхности внешнего корпуса 1.
Соотношение высоты внешнего корпуса 1 к его диаметру составляет 1,5-1,7, что обеспечивает оптимальные функциональные параметры. Внешний корпус 1 содержит дополнительную внутреннюю стенку 9 цилиндрической формы, высота которой соответствует высоте внешнего корпуса 1. Полость 10 между внешним корпусом 1 и внутренней стенкой 9 заполнена незамерзающим теплопроводящим веществом. На внутренней поверхности внешнего корпуса 1 перед охлаждающими и нагревательными элементами 4 закреплено теплоотражающее покрытие (не показано). Охлаждающие и нагревательные элементы 4 выполнены в виде испарителя-конденсатора хладагента в форме змеевика, расположенного между упомянутыми стенками внешнего корпуса 1. Змеевик испарителя-конденсатора хладагента выполнен с возможностью соединения с холодильной машиной посредством патрубков 11. В зависимости от режима работы теплообменного устройства в змеевике испарителя-конденсатора циркулирует либо кипящий хладагент - режим замораживания, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания.
Внутренний корпус 2 расположен коаксиально с внешним корпусом 1 и выполнен с закрытыми торцами. Высота внутреннего корпуса 2 соответствует высоте внешнего корпуса 1. Использование внутреннего корпуса 2 позволяет образовать внутри внешнего корпуса 1 кольцевую полость между их близлежащими стенками, что существенно уменьшает продолжительность режима замораживания.
Перегородка 3 закреплена между внешним 1 и внутренним 2 корпусами с образованием соответственно охлаждающей 12 и рециркуляционной 13 полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой 3 и над ней. Высота перегородки 3 составляет 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса 1, что обеспечивает возможность свободной циркуляции воды в режиме замораживания. Использование перегородки 3 позволяет в режиме замораживания ограничить фронт кристаллизации воды достаточно узким пространством охлаждающей полости 12, что дополнительно уменьшает продолжительность режима охлаждения и, при этом, позволяет увеличить объем воды, заливаемой в устройство для очистки.
Нагревательный элемент 5 закреплен в верхней части внутреннего корпуса 2 и выполнен в виде электронагревателя или трубчатого конденсатора хладагента с капиллярной трубкой для отвода горячего пара хладагента (не показана).
Коллектор 6 для подачи воздуха смонтирован в днище внешнего корпуса 1 в охлаждающей полости 12. В крышке 7 над рециркуляционной полостью 13 выполнены патрубок 14 для залива загрязненной воды и воздушный клапан 15. Патрубок 16 для слива концентрата загрязненной воды после льдообразования и слива очищенной воды выполнен на днище внешнего корпуса 1 в упомянутой полости 13.
Внешний 1 и внутренний 2 корпусы, перегородка 3 и стенка 9 выполнены из теплопроводящего материала. При этом перегородка 3 и внутренняя стенка 9 являются эквипотенциальными поверхностями: перегородка 3 - со знаком «плюс» или «минус», а стенка 9 - соответственно со знаком «минус» или «плюс», в зависимости от этапа очистки.
Теплообменное устройство работает следующим образом.
Работа теплообменного устройства поясняется на примере его использования в системе очистки воды.
Система содержит (фиг. 2), по меньшей мере: блок управления 17, холодильную машину, состоящую из компрессора 18 и конденсатора 19, водяные электромагнитные клапаны 20, 21 и электромагнитные клапаны 22 хладагента, датчик температуры 23, емкости 24 и 25, соответственно для сброса концентрата загрязненной воды и для очищенной воды, и компрессор сжатого воздуха 26. Блок управления 17 осуществляет управление системой в автоматическом режиме в соответствии с заданным алгоритмом программы. Вышеуказанный состав системы является условным и приведен исключительно для пояснения принципа работы теплообменного устройства в попеременных режимах замораживания и оттаивания.
3
3
Загрязненную, например, водопроводную воду, предварительно очищенную от механических примесей, через клапан 21 и патрубок 14 подают в кольцевые охлаждающую 12 и рециркуляционную 13 полости. После заполнения указанных полостей блок управления 17 посредством заданной программы включает компрессор 18 и жидкий хладагент с заданной температурой через патрубок 11 поступает в змеевик испарителя-конденсатора хладагента. Проходя по змеевику, хладагент охлаждает загрязненную воду и нагревается в результате теплообмена. Пар хладагента выводят через второй патрубок И. При охлаждении внутренней стенки 9 внешнего корпуса 1 до температуры от минус 3°С до минус 35°С загрязненная вода в охлаждающей полости 12 начинает быстро охлаждаться с одновременным формированием кольцевого фронта кристаллизации, направленного от внутренней стенки 9 к перегородке 3. Процесс охлаждения загрязненной воды контролирует датчик температуры 23, связанный с блоком управления 17. В соответствии с заданной программой блок управления 17 исключает возможность критического понижения температуры в охлаждающей полости 12, которое может привести к кристаллизации загрязненной воды с повышенным содержанием органических и неорганических примесей, что существенно снижает качество льда и, соответственно, очищенной воды. В результате охлаждения загрязненной воды ее плотность вдоль внутренней стенки 9 уменьшается (до 998,6÷998,8 кг/м), что вызывает слабую естественную циркуляцию между смежными полостями 12 и 13, т.к. плотность воды в полости 13 не изменяется и составляет около 1000 кг/м. После формирования тонкого слоя льда на поверхности внутренней стенки 9 блок управления 17 включает компрессор 26 для подачи сжатого воздуха в охлаждающую полость 12 через коллектор 6. В заданный алгоритмом программы момент блок управления 17 включает на непродолжительное время нагревательный элемент 5. Подача воздуха в охлаждающую полость 12 со стороны днища и одновременный непродолжительный подогрев воды в верхней части рециркуляционной полости 13 повышают интенсивность вертикальной циркуляции загрязненной воды, что 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. В режиме замораживания теплоизоляционное покрытие 8 и теплоотражающее покрытие, расположенные на противоположных поверхностях наружной стенки внешнего корпуса 1, повышают эффективность теплопередачи от охлаждающих элементов 4 к загрязненной воде, что также уменьшает продолжительность режима замораживания. Кроме этого, повышению эффективности теплопередачи способствует заполнение полости 10 незамерзающим теплопроводящим веществом. После завершения формирования слоя чистого пристеночного льда заданной толщины блок управления 17 включает соответствующий электромагнитный клапан 20 и незамерзший жидкий концентрат загрязненной воды, содержащий механические примеси и большое количество солей, через патрубок 16 сливается в емкость 24 для последующей утилизации. Продолжительность режима замораживания составляет 0,2-2,0 часа.
Далее блок управления 17 переключает теплообменное устройство в режим оттаивания льда. В этом режиме через змеевик испарителя-конденсатора хладагента начинает циркулировать конденсирующийся хладагент, что приводит к быстрому нагреванию стенки 9 до температуры не выше плюс 10°С, соответствующей природным условиям таяния льда. Талая вода скапливается в нижней части внешнего корпуса 1 и через открытый соответствующий электромагнитный клапан 20 и патрубок 16 сливается в накопительную емкость 25. Продолжительность режима оттаивания составляет около 0,5 часа.
Для очистки воды с высоким уровнем загрязнения дополнительно используют эффект электрофореза, который образуется в охлаждающей полости 12 между эквипотенциальными поверхностями перегородки 3 и внутренней стенки 9 при подключении их к внешнему источнику постоянного тока. При этом перегородку 3 подключают к положительному контакту, а стенку 9 - к отрицательному или наоборот. Согласно опытным данным эффект электрофореза позволяет в процессе образования льда уменьшить содержание в нем нежелательных примесей в диапазоне от 40% до 90%.
Полный цикл очистки воды в теплообменном устройстве составляет 2,0-2,5 часа, что существенно меньше, чем в известных технических решениях. При этом повышение качества очистки воды достигается за счет сочетания следующих факторов: уменьшения толщины фронта кристаллизации, протекания процесса кристаллизации воды на цилиндрической поверхности стенки и циркуляции воды в процессе кристаллизации.
Заявляемая конструкция теплообменного устройства апробирована в одно- и двухступенчатых системах очистки водопроводной, технической, засоленной и морской (с содержанием солей до 4,5%) воды. Результаты апробации подтвердили заявленный технический результат. Сочетание в устройстве достаточно большой производительности и высокого качества очистки воды позволяет использовать его в системах очистки воды с широким диапазоном загрязнений органическими и неорганическими веществами.