СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПНЫХ ВИДОВ ВОДЫ
METHOD OF DETERMINING CRYSTALLISATION OF HEAVY ISOTOPE TYPES OF WATER

Изобретение относится к способам определения кристаллизации и образования льда тяжелых изотопных видов воды в природной, при ее равномерном охлаждении, и применяется в датчиках кристаллизации установок разделения легкой и тяжелых вод.
1
16
2
Известен «способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды» при равномерном, объемном охлаждении природной воды. Он состоит в определении образования льда легкой воды НО, на поверхности плавающих электродов, погруженных в воду, и предназначенных для пропускания импульсного электрического тока через воду. Электроды подключены к устройству, которое вырабатывает импульсы и выдает сигнал после уменьшения электропроводности межэлектродного пространства, вызываемое образованием льда на поверхности электродов (1).
Использование известного способа в датчиках кристаллизации тяжелых изотопных видов воды сопровождается несколькими нежелательными явлениями.
Известно, что при пропускании постоянного электрического тока через воду происходит диссоциация и поляризация молекул воды, что приводит к постепенному увеличению ее удельного электрического сопротивления. При пропускании тока через воду в нее выделяется тепловая энергия, температурный градиент которой максимален в точках контакта электродов с водой. Это обстоятельство ухудшает условия образования льда на электродах. По этим причинам снижается точность определения времени завершения кристаллизации тяжелой воды, особенно в случае использования природной воды, подверженной сезонным колебаниям солевого состава. Кроме этого при пропускании электрического тока через воду, происходит электролиз воды и происходят электрохимические реакции (2). В быту изменение состава воды является непредсказуемым и нежелательным явлением при ее использовании в питье и пище. В части установок получения легкой воды, равномерность охлаждения воды по объему достигается аэрацией воздухом и озоновоздушной смесью, что оказывает влияние на точность определения времени завершения кристаллизации тяжелой воды. В таких установках независимо от мощности установки и объема обрабатываемой воды возможно случайное скапливание пузырьков воздуха на электродах датчиков кристаллизации и возможна кратковременная потеря контакта электродов с водой, что вызывает ложные сигналы. Если в промышленных установках за этим может следить обслуживающий персонал, то в бытовых установках снижается точность разделения легкой и тяжелой воды.
Предлагаемое изобретение направлено на исключение воздействия измерительных токов датчиков кристаллизации на обрабатываемую воду и повышение качества легкой воды, повышение надежности и снижение затрат на монтаж и обслуживание установок.
Предлагаемый способ исключает воздействие на обрабатываемую воду измерительных токов электродов датчиков кристаллизации тяжелой воды заменой способа определения с электрического на фото.
Опытом заявителя определено, что при равномерном, объемном охлаждении природной воды образовавшиеся кристаллы тяжелой воды всплывают к поверхности обрабатываемой воды и образуют рыхлую массу, объем которой постепенно увеличивается и количество зависит от концентрации тяжелой воды в природной воде. Оптические свойства воды зависят от концентрации и вида взвеси веществ содержащихся в ней. Образовавшиеся кристаллы тяжелой воды являются взвесью, и поэтому у незамерзшей природной воды и незамерзшей легкой воды с рыхлой массой кристаллов тяжелой воды оптические свойства различаются. Через незамерзшую природную воду луч лазера проходит имея нитевидную форму, без значительного рассеивания, с постепенным снижением яркости. При образовании на пути луча лазера рыхлой массы льда тяжелой воды, он теряет форму, рассеивается, образует светящийся объем кристаллов льда.
Суть предлагаемого изобретения состоит в регистрации изменений оптических свойств воды при ее равномерном охлаждении, и накапливании определенного объема рыхлой массы льда тяжелой воды. Для регистрации изменений оптических свойств охлаждаемой воды, через нее, на определенной высоте, пропускают луча лазера и регистрируют его и его рассеянное излучение двумя фотоэлементами.
Для пояснения предлагаемого способа приведен чертеж.
На чертеже изображена часть емкости кристаллизации 1, с налитой в нее водой 2. Изображено, что образование рыхлой массы льда тяжелой воды произошло, и кристаллы льда тяжелой воды 3 достигли оптической системы. Она состоит из стекла 4, лазера 5, фотоэлементов 6 и 7 и зеркала 8. Определение кристаллизации льда тяжелой воды происходит следующим образом.
Процессы охлаждения природной воды и кристаллизации тяжелой воды относительно медленные, их длительность зависит от интенсивности охлаждения, а при прохождении луча лазера через воду выделяется тепло, поэтому измерения оптических свойств воды проводятся кратковременно, импульсами. Через стекло 4 периодически проходит луч лазера 5, с длительностью импульсов до 1 секунды, а длительность интервала между импульсами от 30 до 200 секунд. Импульсы излучаются после начала кристаллизации тяжелой воды, в диапазоне температур между +4°C-0°C и до его завершения, с выдачей сигнала. Для устранения влияния пузырьков аэрирующего газа на прохождение луча лазера, перед моментом измерения, процесс аэрации воды озоновоздушной смесью останавливается под участком размещения оптической системы, или он полностью прекращается в малообъемных установках. При отсутствии кристаллов льда 3, на пути луча лазера 5, луч отражается зеркалом 8, попадает на фотоэлемент 7 и им регистрируется. Из-за направленности на фотоэлемент 7, луч лазера не попадает на фотоэлемент 6 и им не регистрируется. При образовании массы кристаллов льда тяжелой воды на пути луча лазера 5, луч рассеивается и фотоэлемент 7 не реагирует и не регистрирует импульсы лазера, а фотоэлемент 6 регистрирует рассеянный свет от лазерного луча. Таким образом, при накапливании определенного объема рыхлой массы льда тяжелой воды, изменяется реакция фотоэлементов 6 и 7 на луч лазера. Изменение реакции фотоэлементов является сигналом завершения процесса кристаллизации тяжелой воды. В малообъемных установках предлагаемый способ определения кристаллизации тяжелой воды возможен без стекла 4 и зеркала 8, при условии оптической прозрачности емкости кристаллизации 1, установке лазера и фотоэлементов на ее противоположных стенках и исключении влияния внешних источников света.
При использовании предлагаемого изобретения в установках получения легкой воды выполняется необходимая точность разделения легкой и тяжелых вод, а электролиз и изменения солевого состава воды отсутствуют. Причем, в отличие от прототипа, предлагаемый способ позволяет отфильтровать кристаллы преимущественно тяжелых видов тяжелой воды, а затем в другой емкости кристаллизации получить легкую воду. В отличие от прототипа, для сборки оптической системы применяются комплектующие устройства, выпускаемые промышленностью, массовым количеством, высокой степенью надежности и разными типами, аналоговых и цифровых, выходных сигналов. При использовании изобретения на промышленных предприятиях, значительно снижаются затраты на монтаж и обслуживание установок получения легкой воды и время их простоя, а в бытовых установках увеличивается надежность.
Источники информации
1. М.М.Муратов, Заявка RU №2008148782 на изобретение «Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды».
2. «Справочник по физике» Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, Москва, «Наука», 1980 г.