АППАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Полезная модель относится к устройствам для очистки воды в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических примесей, солей, канцерогенных и мутагенных веществ и газов путем фазового разделения исходной воды с примесями, методом кристаллизации вымораживанием в замкнутом объеме на чистую воду и воду с примесями и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине.
Известна установка для очистки воды, 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 (патент РФ №2274607, МПК С02F 1/22, опубл. 20.04.2006). 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.
Однако в указанной установке часть полезного объема в рабочей емкости для замораживания воды занята теплообменником, выполненным в виде змеевика, что уменьшает объем обрабатываемой воды. Кроме того, устройство имеет недостаточную надежность работы вследствие того, что намораживаемый на змеевик лед может повредить его целостность и вытекаемый хладагент будет загрязнять очищаемую воду, что затрудняет использование заявляемой установки в бытовых условиях.
Известен аппарат для очистки воды (патент на полезную модель №99477, МПК C02F 1/22, опубл. 20.11.2010 г.), включающий рабочую емкость, средства для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами и узел для слива очищенной и загрязненной воды. Боковая стенка рабочей емкости выполнена монолитной или с кольцевой полостью внутри, заполненной или имеющей возможность ее заполнения жидкостью с температурой замерзания ниже температуры замораживания воды и имеет теплопроводность не ниже теплопроводности очищаемой воды, а термоэлементы средств для замораживания воды и плавления льда расположены на наружной поверхности боковой стенки рабочей емкости, или внутри ее тела, или внутри ее кольцевой полости. Боковая стенка рабочей емкости, выполненная монолитной или с полостью, заполненной жидкостью, имеет массу не менее 1/2 массы обрабатываемой воды. Жидкость в кольцевой полости боковой стенки рабочей емкости имеет температуру замерзания не выше минус 10°С. Аппарат имеет термостатированный кожух, расположенный вокруг рабочей емкости и снабжен электронным блоком управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом воды, соединенным с электромагнитными клапанами узла для слива очищенной и загрязненной воды и переключателями средств для замораживания воды и плавления льда.
Основными недостатками данного аппарата является его большая материалоемкость и вес в случае изготовления стенок емкости монолитными из металла или технологическая сложность изготовления боковых стенок емкости полыми с размещением в них элементов охлаждения и нагрева.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для получения методом пристеночной кристаллизации высококачественной питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных солей и улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом, (патент на полезную модель №51612, МПК C02F 1/22, опубл. 27.02.2006 г.), состоящее из вертикально расположенного цилиндрического металлического герметичного бака для воды, с внешних боковых сторон которого без контакта с баком установлены змеевик холодильного агрегата и блоки нагревательной установки, закрытые снаружи как теплозащитной, так и внешней оболочками, бак в верхней части снабжен входной трубой для воды, выходящей из блока механической очистки воды, а в нижней части бака установлена съемная герметичная крышка с вмонтированной в нее выходной трубой с вентилем и переключателем потока воды.
Однако, такое устройство для очистки воды имеет большие габариты, связанные с обеспечением циркуляции в полости, расположенной вокруг рабочей емкости с водой, охлаждаемого или нагреваемого воздуха, а также недостаточной эффективностью использования тепловой энергии испарителя и нагревателя соответственно при замораживании воды и таяния льда из-за того, что теплопередача осуществляется через слой воздушной среды, имеющей низкую теплопроводность. Вследствие этого удлиняется время получения очищенной талой воды.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является сокращение времени очистки воды вследствие повышения эффективности использования тепловой энергии испарителя и нагревателя соответственно при замораживании воды и таяния льда за счет осуществления теплопередачи через материалы с более высокой теплопроводностью а также снижение габаритов аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для очистки воды, включающем рабочую емкость, средства для замораживания воды и плавления льда, содержащие соответственно испаритель (холодильник) и нагреватель, расположенные вокруг рабочей емкости, термостатированный кожух, установленный с зазором вокруг рабочей емкости с испарителем и нагревателем и узел для слива очищенной и загрязненной воды, согласно полезной модели, зазор между кожухом и рабочей емкостью заполнен слоем материала, обеспечивающим средний коэффициент теплопроводности от испарителя или нагревателя до внутреннего объема рабочей емкости в диапазоне от 0,1 до 0,6 Вт/(м·°С) и скорость фронта кристаллизации от 2 до 10 мм/час.
Слой материала в зазоре между кожухом и рабочей емкостью изготовлен из пентэласта, а рабочая емкость выполнена из фторопласта, или поликарбоната, или нержавеющей стали.
Для обеспечения необходимого отвода тепловой мощности при определенной величине среднего коэффициента теплопроводности, значение которого лежит в указанном диапазоне от 0,1 до 0,6 Вт/(м·°С), устанавливаются соответствующий слой 7 материала между испарителем, нагревателем и стенкой емкости. Все это, в совокупности с полезной холодопроизводительностью, мощностью нагревателя, а также алгоритмом программы электронного блока управления, позволяет обеспечить: скорость фронта кристаллизации от 2 до 10 мм/час; максимальную температуру воды при таянии льда не выше +8-10°С.
На фиг.1 приведена схема аппарата для очистки воды.
Аппарат для очистки воды включает термостатированный кожух 1, рабочую емкость 2, расположенную в термостатированном кожухе 1, средство для замораживания воды с испарителем 3, выполненном в виде медной трубки-испарителя, средство для плавления льда 4, выполненное в виде нагревательного элемента и узел 5 для слива очищенной и загрязненной воды. Испаритель 3 и нагреватель 4 расположены снаружи вокруг боковой стенки 6 емкости 2. Термостатированный кожух 1 установлен с зазором вокруг рабочей емкости 2 с испарителем 3 и нагревателем 4.
Зазор между кожухом 1 и рабочей емкостью 2 заполнен слоем 7 материала, обеспечивающим средний коэффициент теплопроводности от испарителя 3 или нагревателя 4 до внутреннего объема рабочей емкости 2 в диапазоне от 0,1 до 0,6 Вт/(м·°С) и скорость фронта кристаллизации от 2 до 10 мм/час.
Слой 7 материала в зазоре между кожухом 1 и рабочей емкостью 2 изготовлен, например, из пентэласта, а рабочая емкость 2 выполнена, например, из фторопласта, или поликарбоната, или нержавеющей стали.
Аппарат снабжен электронным блоком 8 управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом воды, соединенным с электрическими клапанами 9 и 10 узла 5 для слива очищенной и загрязненной воды соответственно и управляет средствами замораживания воды и плавления льда согласно алгоритму программы.
Узел 5 снабжен емкостью 11 для слива очищенной воды и емкостью 12 для слива загрязненной воды. Трубка испарителя 3 с фреоном средства для замораживания воды гидравлически соединена с капилляром 13, фильтр-осушитель 14, конденсатор 15, компрессор 16 и аккумулятор 17 жидкого хладогента,. Кроме того, электронный блок управления 8 снабжен датчиками 18 (для косвенного определения температуры воды) и 19 (для контроля холодопроизводительности) температуры, установленными соответственно снаружи днища емкости 2 и ее стенки 6.
Электронный блок 8 управления предназначен для реализации алгоритма программы приготовления талой воды. Электронный блок 8 управления имеет интерфейс для диалога с потребителем. Электронный блок 8 осуществляет управление компрессором 16 и нагревателем 4 по таймеру, с учетом температур по датчикам 18 и 19.
Аккумулятор 17 жидкого хладоносителя на стороне всасывания, предназначен для хранения излишней части хладона и защиты компрессора от гидроудара при снижении холодопроизводительности на испарителе в процессе цикла работы холодильного контура. Кроме того, контролируемый подвод тепла (например, электронагрев) к аккумулятору является дополнительным средством регулирования полезной холодопроизводительности на испарителе и служит одним из факторов обеспечивающим скорость фронта кристаллизации в заданном интервале от 2 до 10 мм/час.
Аппарат для очистки воды работает следующим образом.
Рабочую емкость 2 наполняют водой, предварительно отфильтрованной от механических примесей, и включают блок 8 управления. Автоматически блок 8 управления включает компрессор 16. Происходит постепенное охлаждение воды в емкости 2 через слой 7 материала, например из пентэласта, и боковую стенку 6 (из фторопласта, или поликарбоната, или нержавеющей стали) с последующей ее заморозкой. Вышеуказанное сочетание материалов слоя 7 и стенки 6 емкости 2 (при заданной температуре на испарителе) обеспечивают скорость фронта кристаллизации от 2 до 10 мм/час вследствие чего процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда длится около 3,5-4,5 часов и контролируется датчиками 18 и 19 температуры, данные с которых поступают на электронный блок 8 управления.
После окончания заморозки воды блок 8 управления включает электрический клапан 10 и незамерзшая загрязненная вода, т.е. вода с высоким содержанием солей (рассола), сливается в емкость 12. Далее блок 8 управления отключает средство для замораживания воды и включает средство для плавления льда, нагреватель 4 которого имеет температуру не выше +35°С, Благодаря слою 7 материала температура в емкости 2 в зоне таяния льда достигает не выше +10°С, что соответствует природным условиям постепенного таяния льда. При этом происходит плавление чистого льда. Полное таяние льда осуществляется за 2,5-4,5 часа. Полный цикл получения талой воды равен 7-8 часам.
В процессе экспериментального изучения свойств системы вода - лед в заявляемом аппарате была установлена особая важность скорости фронта кристаллизации. Скорость фронта кристаллизации влияет на такие характеристики как: степень очистки талой воды от примесей (в том числе растворенных газов), окислительно-восстановительный потенциал и рН (измененные показатели этих двух параметров талой воды сохраняются несколько часов после ее приготовления пока не наступит первоначальное равновесное состояние между водой и окружающей средой), оптические свойства льда (прозрачность), порядок кристаллической решетки льда. Было установлено, что качество талой воды улучшается при уменьшении скорости фронта кристаллизации. Оптимальное соотношение между качеством талой воды и производительностью установки лежит в диапазоне скорости фронта кристаллизации от 2 до 10 мм/час, в зависимости от начального состояния воды (степени загрязненности, температуры и др.). При употреблении талой воды, полученной на данной установке, было отмечено субъективное улучшение вкусовых качеств, при ее температуре не выше +8-10°С.
Технические характеристики аппарата.
1. Объем заливаемой воды 1,5-2,0 литра.
2. Объем получаемой талой воды 1,0-1,3 литра.
3. Время замораживания воды 3,5-4,5 часа.
4. Время таяния льда 2,5-4,5 часа.
5. Максимальное электропотребление 150 Вт.
6. Среднее электропотребление при приготовлении 1 литра талой воды 90-110 Вт.
7. Габариты установки не более 450×400×300 мм.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемая полезная модель обеспечивает сокращение времени очистки воды в 1,4-1,6 раза. Кроме того, по сравнению с прототипом на 20-25% снижаются габариты аппарата.