Теплообменная емкость и аппарат для очистки воды методом перекристаллизации с ее использованием
HEAT-EXCHANGE TANK AND DEVICE FOR WATER PURIFICATION BY RECRYSTALLIZATION METHOD, USING IT

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине.
Очистка воды методом перекристаллизации состоит в ее замораживании при температуре несколько ниже нуля градусов Цельсия (например, от -2 до -6°С) с образованием кристаллов льда из которых на границе фронта кристаллизации большая часть примесей вытесняется в виде жидкого концентрата органических и неорганических примесей, который не замерзает при указанных температурах вследствие повышенного содержания солей. Жидкий концентрат примесей удаляют, а чистый слиток кристаллов льда плавят при положительной температуре с получением очищенной талой воды.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом (патент РФ №2312817, МПК C02F 1/22, опубл. 20.12.2007). Водоочиститель имеет раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда, и дополнительно снабжен приводным устройством перемещения стержня замороженной воды, смонтированным за морозильной камерой и разобщающим устройством, размещенным по центру стержня замороженной воды и выполненным в виде трубы. Разобщающее устройство имеет на входе кольцевую режущую часть, а на выходе - расширяющийся профиль, образующий выходной патрубок для удаления примесей в виде рассола.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды в промышленных масштабах из морской воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом, раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда (Патент Франции №2858607, МПК C02F 1/22, опубл. 11.02.2005).
Однако выше приведенные аналоги обеспечивает недостаточное качество очистки воды, сложно в конструктивном выполнении и не имеют оптимально подобранной геометрии теплообменной емкости.
Известна установка для очистки воды (Патент РФ №2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), 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, отличающаяся тем, что 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 и блоком управления в ручном или автоматическом режиме.
Наиболее близким аналогом (прототипом) теплообменной емкости для очистки воды методом перекристаллизации является теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости (патент ЕА 025716, МПК C02F 1/22, опубл. 30.01.2017 г.). Теплообменная емкость выполнена в виде усеченного полого конуса вертикально ориентированного раструбом вверх и имеет крышку и вставку, прикрепленную к крышке и выполненную в виде усеченного конуса и расположенную внутри емкости с зазором относительно ее стенок и днища с образованием кольцевой щелевой полости. Снаружи поверхность емкости покрыта слоем теплоизолирующего материала.
Наиболее близким аналогом устройства для очистки воды методом перекристаллизации является аппарат для очистки воды методом перекристаллизации, включающее термостатированную теплообменную емкость для очистки воды, выполненную из термопроводного материала, средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, соединенное трубопроводом с теплообменной емкостью для очистки воды, средство для слива очищенной воды и средство для слива жидкого концентрата органических и неорганических примесей, подключенные посредством трубопроводов к теплообменной емкости, средства для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые контактирует с наружной стороны с термопроводной стенкой теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средствами для замораживания воды и плавления льда и электроприводами средства для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средства для слива очищенной воды и средства для слива жидкого концентрата примесей (патент ЕА 023946, МПК C02F 1/22, опубл. 29.07.2016 г.). Устройство снабжено термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды, подключенные к термостатированной накопительной емкости, причем средство для слива очищенной воды из теплообменной емкости соединено с термостатированной накопительной емкостью, а теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости.
Однако конструкция теплообменной емкости устройства для очистки воды такова, что при таянии кольцевого конического слитка льда контакт его с внутренней поверхностью теплообменной емкости недостаточно плотный, т.к. указанный кольцевой слиток льда в процессе плавления смещается вниз и упирается нижним торцом в днище теплообменной емкости. При этом по мере таяния льда воздушный зазор между стенкой емкости и поверхностью льда увеличивается, что значительно удлиняет цикл получения очищенной талой воды. Кроме того, процесс очистки воды при ее замораживании и кристаллизации протекает только в стационарном режиме (без перемешивания воды), что не позволяет значительно уменьшить цикл очистки воды, повысить качество ее очистки и увеличить выход конечного продукта.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества очистки, сокращение сроков приготовления очищенной талой воды и увеличение выхода готового продукта за счет обеспечения возможности проведения процесса замораживания (кристаллизации) воды в динамическом режиме при вихревом перемешивании очищаемой воды и повышения контакта кольцевого конического слитка льда «В» с внутренней поверхностью теплообменной емкости в процессе его таяния за счет беспрепятственного перемещения вниз слитка льда «В» по внутренней конической поверхности теплообменной емкости под действием собственного веса.
Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменной емкости для очистки воды методом перекристаллизации, выполненной из термопроводного материала в виде усеченного полого конуса, вертикально ориентированного раструбом вверх и имеющего сверху крышку, а снизу в днище - сливной патрубок, и содержащая трубчатый испаритель для охлаждения или нагрева стенок указанной емкости, расположенный в виде спирали вокруг ее наружной боковой конической поверхности и слой теплоизолирующего материала, расположенный вокруг трубчатого испарителя, согласно изобретения, теплообменная емкость снабжена двумя зеркальными отражающими пленками, одна из которых расположена между боковой конической стенкой теплообменной емкости и трубчатым испарителем, а вторая - между трубчатым испарителем и слоем теплоизолирующего материала, газовихревым активатором с приводом его вращения, выполненным в виде лопастного колеса горизонтально расположенного на вертикальном валу под крышкой теплообменной емкости и прикрепленного к указанной крышке; крышка теплообменной емкости выполнена выпуклой с образованием газовой полости «Б» внутри для формирования циркулирующего тангенциального вихревого движения воздуха с осевым противотоком над поверхностью очищаемой воды; днище теплообменной емкости не имеет термоизоляции и выполнено ступенчатым в виде последовательно соосно расположенных полых цилидрической гильзы и конического элемента, состыкованного со сливным патрубком.
Газовихревой активатор выполнен съемным в виде диагонального вентилятора, а зеркальные отражающие пленки выполнены из алюминия.
Указанный технический результат достигается также созданием аппарата для очистки воды методом перекристаллизации, содержащим термостатированную теплообменную емкость по п. 1 с газовихревым активатором, термодатчиком и трубчатым испарителем для охлаждения и нагрева указанной теплообменной емкости и термостатированную накопительную емкость для очищенной талой воды с датчиком уровня воды, термодатчиком, трубчатым испарителем для поддержания очищенной талой воды при температуре +10 - 12°С и краном для подачи очищенной талой воды в потребительской тару, съемный бак для сбора жидкого концентрата примесей с тензодатчиком, средство для охлаждения, замораживания воды и плавления льда, выполненное в виде холодильно-компрессорного агрегата и соединенное трубопроводами с испарителем теплообменной емкости и с испарителем накопительной емкости, микропроцессорный блок управления с источником питания, связанный с монитором управления, первой платой управления и второй платой управления, причем теплообменная емкость соединена через электроклапан посредством водопровода с накопительной емкостью, а через другой электроклапан - посредством водопровода со съемным баком для приема жидкого концентрата примесей; накопительная емкость и съемный бак для приема жидкого концентрата примесей расположены под теплообменной емкостью для обеспечения слива воды по водопроводам сверху вниз под действием силы гравитации. Причем первая плата управления соединена электропроводами с приводом газовихревого активатора и термодатчиком теплообменной емкости, электроклапанами для слива соответственно очищенной воды и жидкого концентрата примесей, датчиком уровня воды и термодатчиком накопительной емкости и тензодатчиком съемного бака, а вторая плата управления соединена электропроводами с компрессором, вентилятором конденсатора и электроклапанами холодильного агрегата средства для охлаждения, замораживания воды и плавления льда.
Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг.1 представлена схема теплообменной емкости со съемным газовихревым активатором для вихревого циркулирующего движения воды в процессе ее охлаждения и кристаллизации. На фиг.2 изображен увеличенный фрагмент «А» разреза стенки теплообменной емкости. На фиг.3 приведена схема аппарата для очистки воды методом перекристаллизации с использованием теплообменной емкости с газовихревым активатором.
Теплообменная емкость 1 для очистки воды методом перекристаллизации выполнена из термопроводного материала в виде усеченного полого конуса, вертикально ориентированного раструбом вверх и имеющего сверху выпуклую крышку 2 и снизу в днище 3 - сливной патрубок 4. Снаружи вокруг боковой конической поверхности емкости 1 расположена первая алюминиевая зеркальная отражающая пленка 5 для равномерного распределения тепловой энергии по поверхности емкости 1. Сверху первой пленки 5 размещен в виде спирали трубчатый испаритель 6 для охлаждения или нагрева указанной емкости 1. Испаритель 6 покрыт сверху второй алюминиевой зеркальной отражающей пленкой 7 и слоем 8 термоизолирующего материала для термостатирования емкости 1 (фиг.2). Теплообменная емкость 1 снабжена газовихревым активатором 9, выполненным в виде лопастного колеса, горизонтально расположенного на вертикальном валу под выпуклой крышкой 2 в емкости 1, прикрепленного к указанной крышке 2 и имеющего привод вращения (на чертежах не показан). Газовихревой активатор 9 может быть выполнен съемным в виде диагонального вентилятора (фиг.1). Днище 3 емкости 1 не имеет термоизоляции и контактирует с окружающей средой для формирования «термоокна», предотвращающего намораживание льда на днище 3 и сливном патрубке 4. Кроме того, днище 3 теплообменной емкости 1 выполнено ступенчатым в виде последовательно соосно расположенных полых цилиндрической гильзы 10 и конического элемента 11, состыкованного со сливным патрубком 4. Цилиндрическая гильза 10, контактирущая с окружающей средой при комнатной температуре, предотвращает наращивание кольцевого слитка «В» в зоне ступенчатого днища 3 и повышает контакт указанного слитка «В» льда с внутренней поверхностью теплообменной емкости 1 в процессе его таяния за счет обеспечения беспрепятственного перемещения слитка льда «В» по внутренней конической поверхности теплообменной емкости 1 под действием собственного веса, что существенно сокращает время плавления льда.
Изнутри теплообменная емкость 1 покрыта тефлоновой пленкой 12 (фиг.2). Под выпуклой крышкой 2 в газовой полости «Б» емкости 1 газовихревой активатор 9 обеспечивает формирование тангенциального вихревого движения воздуха с осевым противотоком над поверхностью очищаемой воды в процессе ее охлаждения и замораживания. За счет сил трения на границе двух фаз «воздух-жидкость» формируется аналогичное вихревое движение в очищаемой воде, что обеспечивает охлаждение и замораживание воды в состоянии вихревого циркулирующего движения (динамической кристаллизации), обеспечивающего сокращение времени охлаждения и кристаллизации воды и повышение степени очистки воды.
Устройство для очистки воды методом перекристаллизации содержит выше описанную термостатированную теплообменную емкость 1 (фиг.1), средство 13, выполненное в виде холодильно-компрессорного агрегата для охлаждения, замораживания воды и плавления льда в указанной емкости 1, термостатированную накопительную емкость 14 для очищенной воды с трубчатым испарителем 15, расположенным вокруг указанной емкости 14, съемный бак 16 для сбора жидкого концентрата примесей («рассола»), микропроцессорный блок 17 управления с источником питания, монитор 18 управления (дисплей), первую плату 19 управления и вторую плату 20 управления. Емкость 14 расположена под емкостью 1, а съемный бак 16 расположен ниже под емкостью 14, что обеспечивает перемещение воды по трубопроводам сверху вниз без применения насосов под действием силы гравитации.
Средство 13 для замораживания воды и плавления льда содержит компрессор 21 и конденсатор 22 холодильного агрегата с вентилятором, основной дроссельный узел 23, «буферный» дроссельный узел 24, вспомогательный дроссельный узел 25 для оттаивания и соленоидные вентили 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 (электромагнитные клапаны) и фильтр-осушитель 34, которые соединены трубопроводами 35 в единый холодильно-компрессорный контур, как показано на фиг.3. Холодильно-компрессорный контур средства 13 соединен трубопроводами 36 и 37 с трубчатым испарителем 6 емкости 1, а трубопроводами 38 и 39 - с трубчатым испарителем 15 накопительной емкости 14.
Термостатированная теплообменная емкость 1 для очистки воды содержит термодатчик 40 и соединена через электроклапан 41 посредством водопровода 42 с термостатированной накопительной емкостью 14 для приема и розлива очищенной воды, а через электроклапан 43 емкость 1 соединена посредством водопровода 44 со съемным баком 16 для сбора жидкого концентрата примесей. Накопительная емкость 14 содержит датчик 45 уровня воды и термодатчик 46, а снизу к ее днищу подсоединен водопровод 47, имеющий механический кран 48 для подачи очищенной талой воды в тару 49 потребителя. Съемный бак 16 для сбора жидкого концентрата примесей снабжен тензодатчиком 50 (датчиком веса) для контроля в нем уровня жидкого концентрата примесей, установленным со стороны днища указанного бака 16.
Микропроцессорный блок 17 управления соединен электропроводами 51 с монитором 18 управления, первой платой 19 управления и второй платой 20 управления. Вторая плата 20 управления соединена электропроводами 52 со всеми управляемыми электрическими элементами холодильного контура: компрессором 21 и конденсатором 22 холодильного агрегата, соленоидными вентилями 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 (электромагнитными клапанами). Первая плата 19 управления соединена элдектропроводами 53 с электромагнитными клапанами 41, 43 и со всеми следующими управляемыми электрическими элементами:
- емкости 1: термодатчиком 40, приводом газовихревого активатора 9 и светодиодом 54;
- емкости 14: датчиком 45 уровня воды и термодатчиком 46;
- съемного бака 16: тензодатчиком 50 и светодиодом 55.
Светодиоды 54 и 55 предназначены для подсветки в процессе очистки воды соответственно емкостей 1 и 16.
Описание функционирования заявляемой теплообменной емкости 1.
В теплообменную емкость 1 заливают, например, 4 литра исходной воды (водопроводной, или артезианской, или бутилированной). Все процессы: охлаждение, кристаллизация воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи емкости 1 посредством контактирующего с ее термопроводной стенкой трубчатым испарителем 6 в автоматическом режиме посредством микропроцессорного блока 17, первой 19 и второй 20 плат управления и алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды.
На мониторе 18 управления потребитель выбирает режим работы теплообменной емкости 1: «Регистр 1» - охлаждение и замораживание (перекристаллизация) воды без перемешивания очищаемой воды (статический режим очистки), где участвуют только естественные конвекционные потоки при фронтальном замораживании воды или «Регистр 2» - охлаждение и замораживание воды при перемешивании очищаемой воды (динамический режим очистки воды).
При очистке воды в теплообменной емкости 1 в статическом режиме («Регистр 1») микропроцессорный блок 17 включает через вторую плату управления 20 компрессор 21 холодильного агрегата на режим охлаждения трубчатого испарителя 6, вследствие чего происходит постепенное охлаждение и замораживание воды через термопроводную стенку емкости 1. Процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда контролируется датчиком 40 температуры, данные с которого поступает на микропроцессорный блок 17 управления. С помощью указанного датчика температуры 40, прикрепленного к поверхности емкости 1 рассчитывается время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости 1 не менее чем на 0,5°С. Температуру воды внутри емкости 1 при кристаллизации воды снижают до величины не ниже -4,0÷-5,0°С (температура выше температуры кристаллизации жидкого концентрата примесей со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости 1 равной, например, интервалу значений 0,05-0,1°С/мин.
В течение времени (около 180 мин) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде кольцевого слоя «В» пристеночного льда у стенки, где расположен трубчатый испаритель 6 и формирование жидкого концентрата (рассола) с органическими и неорганическими примесями. В течение нескольких минут жидкий концентрат примесей объемом до 1900 мл сливают в съемный бак 16 при включении (открытии) электроклапана 43. Оставшийся в емкости 1 слой «В» льда подвергают плавлению путем подачи в трубчатый испаритель 6 горячего пара высокого давления. Температуру стенки емкости 1, при таянии льда до полного его расплавления после слива концентрата примесей повышают до величины +10÷+15°С. Плавление массы льда осуществляют около 90 мин до полного его размораживания. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды составляет около 360 мин. Содержание чистой талой воды составляет около 52,5 об. % от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 1,8 раза.
Более подробное описание технологических фаз (Ф1-Ф9) одного цикла обработки исходной воды методом перекристаллизации с получением одной порции очищенной талой воды в «Регистре 1» представлены в сравнительной таблице 1.
В Таблице 2. представлены показатели очистки воды с использованием емкости 1 аппарата в режиме «Регистр 1».
При очистке воды в теплообменной емкости 1 в динамическом режиме («Регистр 2») одновременно микропроцессорный блок 17 включает через первую плату управления 19 газовихревой активатор 9 в емкости 1 и через вторую плату управления 20 компрессор 21 холодильного агрегата на режим охлаждения трубчатого испарителя 6.
При вращении лопастного колеса газовихревого активатора 9 над поверхностью очищаемой воды создаются разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости «Б» под выпуклой крышкой 2 емкости 1 над поверхностью воды формируется закрученный поток воздуха с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне, который генерирует в воде аналогичное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости 1 (фиг.1). Одновременно происходит охлаждение воды через термопроводную стенку емкости 1. Вода в емкости 1 начинает перемещаться относительно поверхности намораживаемого льда и перемешиваться в объеме, что способствует более быстрому ее охлаждению и увеличению толщины чистого и прозрачного слоя льда. При упорядоченном движении воды с поверхности намораживаемого слоя льда удаляются пузырьки воздуха и сорбированные на них частицы примесей, что повышает степень очистки воды от примесей. Процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда контролируется датчиком 40 температуры, данные с которого поступает на микропроцессорный блок 17 управления. С помощью указанного датчика температуры 40, прикрепленного к поверхности емкости 1 рассчитывается время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости 1 не менее чем на 0,5°С. Температуру воды внутри емкости 1 при кристаллизации воды снижают до величины не ниже -4,0÷-5,0°С (температура выше температуры кристаллизации жидкого концентрата с органическими и неорганическими примесями со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости 1 равной, например, интервалу значений 0,1-0,3°С/мин.
В течение времени (около 115 мин) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде кольцевого слоя «В» пристеночного льда у стенки, где расположен трубчатый испаритель 6 и формирование жидкого концентрата (рассола) с органическими и неорганическими примесями в центральной части емкости 1.
Цилиндрическая гильза 10 с коническим элементом 11 без термоизоляции контактируют с окружающей средой при комнатной температуре и образуют «термоокно», предотвращают наращивание конического кольцевого слоя «В» льда в зоне ступенчатого днища 3 и обеспечивают повышение контакта указанного слоя «В» льда с внутренней поверхностью теплообменной емкости 1 в процессе его таяния за счет беспрепятственного перемещения вниз слитка льда «В» по внутренней конической поверхности теплообменной емкости под действием собственного веса, что существенно сокращает время плавления льда.
Алюминиевая зеркальная отражающая пленка 5 обеспечивает равномерное распределение тепловой энергии по поверхности емкости 1, предотвращает образование очагов солевых туманностей и более равномерное распределение солей на фронте кристаллизации.
В течение нескольких минут жидкий концентрат примесей объемом до 1500 мл сливают в съемный бак 16 при включении (открытии) электроклапана 43. Оставшийся в емкости 1 слой «В» льда подвергают плавлению путем подачи в трубчатый испаритель 6 горячего пара высокого давления. Температуру стенки емкости 1, при таянии льда до полного его расплавления после слива концентрата примесей повышают до величины +10°С. Плавление массы льда составляет около 105 мин до полного его размораживания.
После плавления льда проводят слив очищенной талой воды в термостатированную потребительскую емкость 14 путем автоматического включения электроклапана 41. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 270 мин. Содержание чистой талой воды составляет не менее 62,5 об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 4,8 раза.
Более подробное описание технологических фаз (Ф1-Ф9) одного цикла обработки исходной воды методом перекристаллизации с получением одной порции очищенной талой воды в «Регистре 2» представлены в сравнительной таблице 1.
В Таблице 3 приведены показатели очистки воды с использованием емкости 1 аппарата в режиме «Регистр 2».
Примечание: пояснения к отдельным фазам цикла:
Ф5 - Доохлаждение "сухого" ледяного слитка выполняется для того, чтобы менее энергозатратно дополнительно понизить температуру слитка до температуры от -10 до -15°С для улучшения качества молекулярных (кристаллических) связей и повышения количественных параметров электрохимических показателей талой воды, получаемой из доохлажденного слитка.
18
Ф6 - Доочистка ледяного слитка. Первая порция "пристеночной оттайки" и наружного слоя слитка плавится и сливается в съемный бак для жидкого концентрата примесей ("рассола"). Объем отделяемой фракции ("очаговой пленки") составляет до 7% от общей массы слитка льда, которая образовывается на фронте кристаллизации в первую очередь. Это зона максимальной (основной) концентрации дейтерия (D2O) и тяжелого кислорода О.
Ф7 - плавление слитка или купеляция. Слиток льда плавится не перегревая получаемую талую воду в режиме от 0°С до +10°С. После завершения процесса плавления слитка, свежеприготовленная талая вода проходит режим термостабилизации Ф8, и поступает в специальную термостатируемую накопительную емкость (буфер) для хранения. Ф8 - режим хранения (термостабилизации) осуществляют при температуре от +10°С до +12°С. Далее с режима хранения талая вода уже поступает непосредственно потребителю.
Примечание:
- толщина слоя «В» чистого слоя льда составляет 18-19 мм;
- химические элементы указаны в концентрации мг/л;
- средний коэффициент К очистки составляет 1,802;
средний коэффициент изменения электрохимических показателей составляет 1,25.
Примечание:
- толщина слоя «В» чистого слоя льда составляет 21-22 мм;
- химические элементы указаны в концентрации мг/л;
- средний коэффициент К очистки составляет 4,79;
- средний коэффициент изменения электрохимических показателей составляет 2,85.
Аппарат для очистки воды методом перекристаллизации с использованием заявляемой теплообменной емкости работает следующим образом.
Аппарат включают в электрическую сеть. Активируется электронный микропроцессорный блок 17 управления, первая плата управления 19, вторая плата управления 20 и монитор управления 18. Включаются светодиоды 54 и 55 для подсветки соответственно емкостей 1 и 14.
Пользователь заливает исходную воду для очистки (водопроводную, или артезианскую, или бутилированную) в теплообменную емкость 1 в количестве, например, 4 литра.
На мониторе управления 18 выбирает "Регистр 1" - режим статической заморозки без использования газовихревого активатора 9 или "Регистр 2" -режим динамической заморозки с использованием газовихревого активатора 9.
Пример 1. Описание работы аппарата в режиме очистки воды без ее перемешивания в теплообменной емкости 1 (статический режим очистки, «Регистр 1»), где участвуют только естественные конвекционные потоки при фронтальном замораживании воды.
Пользователь запускает цикл обработки, нажав кнопку "Пуск" и выбрав на мониторе 18 надпись "Регистр 1".
Первая плата управления 19 включает датчик 40 измерения температуры в емкости 1, открывает электроклапан 43 на начальной стадии каждого цикла для промывки водопровода 44 и сброса воды в съемный бак 16. После промывки водопровода 44 электроклапан 21 закрывается и активируется тензодатчик 50 бака 16 для контроля в нем уровня жидкого концентрата примесей.
Вторая плата управления 20 включает контур холодильного агрегата средства 13 в режим охлаждение трубчатого испарителя 6 (фиг.1), расположенного на внешней стенке теплообменной емкости 1. Сжатый компрессором 21 теплоноситель в виде горячего пара с высоким давлением проходит по трубопроводу 35 (Фиг. 3) через открытый вентиль 26 в конденсатор 22, где охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления.
При этом дроссель 25 не участвует в работе, т.к. потеря давления в нем намного выше и вентиль 31 закрыт.Вентили 30, 29 и 32 также закрыты. (Фиг. 3).
После конденсатора 22 жидкий хладагент под высоким давлением проходит по трубопроводу 35, далее беспрепятственно через открытый вентиль 27, фильтр-осушитель 34 поступает в дроссель 23, где давление жидкого теплоносителя (хладагента) снижается и с низким давлением поступает по трубопроводу 36 в трубчатый испаритель 6 теплообменной емкости 1. В трубчатом испарителе 6 хладагент закипает, испаряется и поглощает тепло, охлаждая и замораживая воду в теплообменной емкости 1 при температуре кипения в режиме охлаждения и заморозки составляющей -15°С.
Далее по трубопроводу 37 хладагент в виде пара низкого давления проходит через открытый вентиль 28 в трубопровод 35, и далее поступает обратно в компрессор 21 (Фиг. 3). При этом вентили 33, 31 закрыты.
На данном этапе цикла приготовления (очистки) воды холодильный агрегат обеспечивает последовательно несколько фаз изменения ее состояния (табл.1):
- Ф1 - охлаждение исходного объема жидкого раствора.
- Ф2 - фазовый переход (очаговые образования шуги).
- Ф3 - заморозка (формирование фронтально-кольцевого конусного слитка на боковой поверхности рабочей емкости 1.
Первая плата управления 19 с помощью термодатчика 40 контролирует температурную динамику: на фазе Ф1 до температуры фазового перехода 0°С; фиксирует время наступления фазы Ф2 и разность температурного скачка (выброса) тепловой энергии на фазе Ф2. Микропроцессорный блок 17 обрабатывает данные по начальной температуре исходного водного раствора, временной показатель (длительность) фазы Ф1, временной показатель и размер AT температуры на фазе Ф2; и соответственно с помощью второй платы управления 20 управляет частотой оборотов компрессора (21); частотой вращения (теплосъемом) крыльчатки вентилятора конденсатора 22 и далее уже микропроцессорный блок 17 расчетно запускает фазу ФЗ обработки воды (табл.1).
На фазе Ф3 процесс льдообразования происходит при температуре от -4° до -5°С в направлении от боковых стенок теплообменной емкости 1 к центру (фиг.1). В центральной части (приосевой зоне) емкости 1 наблюдается образование жидкого концентрата примесей, так называемое образование "рассола" - вода с повышенным содержанием солей и различных органических и неорганических загрязнений. В соответствии с общеизвестными данными, температура замерзания данного "рассола" составляет от -7° до -10°С. При этом толщина фронтального очищенного слитка льда в емкости 1 составляет 18-19 мм. (табл.2).
Для сохранения достигнутой чистоты льда (не достигая момента кристаллизации объема "рассола") микропроцессорный блок 17 с помощью первой платы управления 19 запускает следующую фазу цикла Ф4 очистки воды (табл.2). На фазе Ф4 первая плата управления 19 открывает электроклапан 43 и по водопроводу 44 жидкий концентрат сливается в съемный бак 16. После слива жидкого концентрата электроклапан 43 закрывается. При этом тензодатчик 50 фиксирует вес поступившей порции жидкого концентрата в съемный бак 16 и передает данные через первую плату управления 19 в микропроцессорный блок 17, который обрабатывает данные: % выхода жидкого концентрата в данном цикле, остаток массы чистого льда и температуру в теплообменной емкости 1, толщину отслоения слитка, толщину самого слитка очищенного льда, требуемую мощность холодильного контура и другие показатели, рассчитывает время и мощность подачи тепловой энергии в следующей фазе Ф5 обработки очищенного льда (табл.1).
На фазе Ф5 холодильный агрегат продолжает работать в описанном выше режиме - охлаждение теплообменной емкости 1. Фаза Ф5 - доохлаждение "сухого" ледяного слитка «В» до температуры от -10° до -15°С в течение 10 минут для улучшения качества кристаллических связей слитка очищенного льда и улучшения количественных параметров электрохимических показателей конечного продукта (очищенной талой воды), получаемой из доохлажденного слитка.
Далее микропроцессорный блок 17 запускает фазу Ф6 доочистки ледяного слитка «В» (табл.1). Первая порция "пристеночной" оттайки наружного слоя слитка «В» льда (Фиг. 2) плавится и сливается через электроклапан 43 по водопроводу 44 в съемный бак 16. Объем отделяемой фракции 5-7% от объема слитка чистого льда. Микропроцессорный блок 17 определяет этот процентный параметр исходя из полученных данных от тензодатчика 50 бака 16 на фазе Ф4 и соответственно дает команду первой плате управления 19 закрыть электроклапан 43.
Фаза Ф7 запускается одновременно с фазой Ф6 (табл.1). На фазе Ф7 осуществляется плавление слитка и одновременно на фазе Ф6 осуществляется доочистка поверхностного слоя указанного слитка «В» льда. При запуске Ф6 и Ф7 отсутствует агрессивные горячие потоки на поверхности теплообменной емкости 1 и при доочистке слитка льда и получении очищенной талой воды в режиме 0°+10°С. Равномерное распределение энергии по поверхности теплообменной емкости 1 обеспечивается алюминиевыми зеркальными пленками 5 и 7, а также контролируется первой 19 и второй 20 платами через термодатчик 40 и компрессор 21. При запуске фаз Ф6 и Ф7 вторая плата 20 управления переключает контур холодильного агрегата средства 13 в режим нагрева трубчатого испарителя 6 теплообменной емкости 1 (фиг.3).
Сжатый компрессором 21 хладагент (теплоноситель) в виде горячего пара с высоким давлением проходит по трубопроводу 35 и далее через открытый вентиль 30 в трубчатый испаритель 6 емкости 1, где отдает тепло боковым стенкам емкости 1, тем самым хладагент охлаждается и конденсируется в виде жидкой фазы высокого давления. При этом вентиль 26 закрыт, основной дроссельный узел 23 не участвует в работе, т.к. потеря давления в нем намного выше и вентиль 27 закрыт.Минуя трубчатый испаритель 6 емкости 1 жидкий хладагент под высоким давлением беспрепятственно проходит по трубопроводу 35 через открытый вентиль 31 поступает во вспомогательный дроссельный узел 25 для оттайки, где давление жидкого хладагента падает и он поступает в конденсатор 22. В этом режиме конденсатор 22 холодильного агрегата выполняет функцию испарителя, где хладагент кипит, испаряется и поглощает тепло из внешней среды. При этом вентиль 33 закрыт.После конденсатора 22 парообразный хладагент с низким давлением по трубопроводу 35 проходит через открытый вентиль 32 и далее поступает обратно в компрессор 22, где сжимается, нагревается и подается на новый цикл работы холодильного контура средства 13. При этом вентили 27 и 29 закрыты.
По результату работы холодильного контура средства 13 в режиме нагрева трубчатого испарителя 6 в емкости 1 в фазе Ф7 происходит повышение температуры чистого льда (слитка) до температуры 0°С, при которой слиток плавится с получением очищенной талой воды.
Фаза Ф7 плавления чистого льда контролируется термодатчиком 40 под управлением первой платы 19 управления, учитывая параметрические объемные показатели слитка чистого льда, которые были рассчитаны микропроцессорным блоком 17 в фазе Ф4 с помощью тензодатчика 50. Температура рабочей зоны в емкости 1 при окончании фазы Ф7 достигает диапазона от+12° до+15°С, вследствие чего Ф7 завершается расчетно с помощью микропроцессорного блока 17.
Далее микропроцессорный блок 17 включает фазу Ф8 (табл.1) термостабилизации готового продукта, т.е. доведение его до терморежима стабильно длительного хранения в диапазоне от +10° до +12°С. Вторая плата 20 управления включает контур холодильного агрегата средства 13 в режим одновременного охлаждения емкости 1 и емкости 14. Поскольку данный описываемый цикл является первым для пользователя, то при запуске фазы Ф8, микропроцессорный блок 17 подает команду на вторую плату 20 управления о включении режима одновременного охлаждения емкостей 1 и 14 (при первом цикле приготовления первая приготовленная порция талой воды еще не поступила на хранение в емкость 14), то включая режим одновременного охлаждения емкостей 1 и 14, микропроцессорный блок 17 подготавливает требуемый режим хранения в диапазоне от +10° до +12°С для приготовленной дозы талой воды, которая поступит на хранение в емкость 14 из емкости 1 после фазы Ф8 (табл.1).
Режим одновременного охлаждения емкостей 1 и 14. Сжатый компрессором 21 теплоноситель в виде горячего пара с высоким давлением проходит по трубопроводу 35 через открытый вентиль 26 в конденсатор 22, где охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления. Вспомогательный дроссельный узел 25 не участвует в работе, так как потеря давления в нем намного выше и вентиль 31 закрыт.После конденсатора 22 жидкий хладагент под высоким давлением проходит по трубопроводу 35 через открытый вентиль 27, фильтр-осушитель 34 и поступает в основной дроссельный узел 23, где давление жидкого теплоносителя снижается.
Одновременно из трубопровода 38 жидкий хладагент под высоким давлением поступает через открытый вентиль 29 в буферный дроссельный узел 24, где давление жидкого теплоносителя снижается и поступает в трубчатый испаритель 15 емкости 14 (фиг.3). В трубчатым испарителе 15 жидкий теплоноситель закипает, испаряется и поглощает тепло, охлаждая стенки емкости 14. Далее теплоноситель по трубопроводу 35 поступает обратно в компрессор 21. Термодатчик 46 под управлением первой платы 19 управления контролирует температурный режим хранения в буферной емкости 14 в диапазоне от +10° до +12°С. По достижению заданного режима, первая плата 19 управления сообщает об этом на микропроцессорный блок 17 и вторая плата 20 управления закрывает вентиль 29. Одновременно с вышеописанным, идет охлаждение емкости 1. После прохождения трубчатого испарителя 6 в емкости 1 теплоноситель по трубопроводу 35 через открытый вентиль 28 поступает обратно в компрессор 21.
По достижении температурного режима до диапазона от +10° до +12°С сигнал с термодатчика 40 поступает на первую плату 19 управления и далее через микропроцессорный блок 17 сигнал на вторую плату 20 управления, которая закрывает вентили 26, 27 и 28 и выключает компрессор 21.
Первый цикл получения очищенной талой воды завершен. Первая плата 19 управления открывает клапан 41 и по водопроводу 42 талая вода самотеком сливается в термостатированную накопительную емкость 14 для хранения и потребления через кран 48.
Микропроцессорный блок 17 сообщает на монитор 18 о том, что талая вода готова. Потребитель через кран 48 самостоятельно наливает порциями либо полностью приготовленный объем талой воды в потребительскую тару 49 (фиг.3).
Микропроцессорный блок 17 сообщает на монитор 18 потребителю, что он может запустить следующий цикл приготовления. Потребитель заливает исходную водопроводную воду в теплообменную емкость 1 для запуска следующего цикла приготовления. Микропроцессорный блок 17 через монитор 18 напоминает потребителю, что в баке 16 находится порция утилизированного "рассола" (жидкого концентрата примесей) и его необходимо очистить.
Тензодатчик 50 контролирует уровень и, соответственно, количество порций "рассола", поступивших в съемный бак 16. Первая плата 19 управления допускает запуск цикла очистки воды в работу при достижении не более 3-х порций "рассола" в баке 16. Микропроцессорный блок 17 постоянно напоминает через монитор 18 и через световую индикацию о необходимости очистки бака 16 от порций "рассола".
Пользователь следуя инструкциям на мониторе 18 опорожняет бак 16 и запускает 2-й цикл приготовления, нажав на кнопку «Пуск» и выбрав «Регистр 1» (табл.2) или «Регистр 2» (табл.3) на мониторе 18.
Далее алгоритм работы, описанный выше в режиме охлаждение емкости 1 или в режиме одновременного охлаждения емкостей 1 и 14 производит приготовление следующей порции талой воды.
В течение цикла очистки воды перекристаллизацией при наступлении (последовательно) любой фазы Ф1-Ф9 (табл.1) первая плата 19 управления с помощью термодатчика 46 (фиг.3) контролирует температурный режим хранения в накопительной емкости 14 и с помощью второй платы 20 управления через микропроцессорный блок 17, переключает холодильный агрегат с режима охлаждения емкости 1 на режим одновременного охлаждения емкостей 1 и 14; с режима одновременного охлаждения емкостей 1 и 14 на режим охлаждение емкости 1 и далее на режим нагрева емкости 1.
На фазе Ф6 и Ф7 (табл.1) цикла очистки воды холодильный агрегат средства 13 может переключаться в режим нагрева емкости 1 и охлаждения накопительной емкости 14 в случае подачи сигнала от термодатчика 46 на первую плату 19 управления о необходимости поддержать режим хранения в емкости 14 температуры в диапазоне от +10° до +12°С. При этом микропроцессорный блок 17 подает сигнал на вторую плату 20 управления, которая переключает холодильный агрегат в режим нагрева емкости 1 и охлаждение емкости 14. При этом на фазе Ф6 и Ф7 (табл.1) в режиме нагрева емкости 1 и охлаждения емкости 14 сжатый компрессором 21 хладагент (теплоноситель) в виде горячего пара с высоким давлением проходит по трубопроводу через открытый вентиль 30 в трубчатый испаритель 6 емкости 1, где отдает тепло (охлаждается) и конденсируется в виде жидкой фазы высокого давления. При этом вентили 26, 40 закрыты и жидкий хладагент под высоким давлением беспрепятственно проходит по трубопроводу через открытый вентиль 31, поступает во вспомогательный дроссельный узел 25 и далее давление жидкого хладагента падает и он поступает в конденсатор 22. При этом вентили 27 и 29 закрыты. После конденсатора 22 парообразный хладагент с низким давлением поступает по трубопроводу через открытый вентиль 32 в компрессор 21, где сжимается, нагревается и подается на новый цикл работы. В процессе выполнения данного цикла работы (фиг.3) при нагреве емкости 1 термодатчик 46 может подать сигнал на первую плату 19 управления о необходимости поддержать режим охлаждения и хранения в накопительной емкости 14. При этом микропроцессорный блок 17 подает сигнал на вторую плату 20 управления, которая открывает вентиль 33 и часть жидкого хладагента под высоким давлением от емкости 1 поступает через вентиль 33 в буферный дроссельный узел 24, после которого жидкий хладагент с низким давлением поступает в трубчатый испаритель 15 (фиг.3) емкости 14. В трубчатом испарителе 15 хладагент закипает, испаряется и поглощает тепло, охлаждая стенки емкости 14, и поступает по трубопроводу 39 обратно в компрессор 21.
Как только датчик 46 подает сигнал на первую плату 19 управления о достижении температуры режима хранения в диапазоне от +10° до +12°С, вторая плата 20 управления закрывает вентиль 33, переключая холодильный контур средства 13 в режим нагрева емкости 1.
После прохождения всех фаз второго цикла очистки воды и подачи через электроклапан 41 новой порции очищенной талой воды в накопительную емкость 14 на хранение, микропроцессорный блок 17 выводит на монитор 18 сообщение о том, что очищенная талая вода готова к употреблению. Термостатированная накопительная емкость 14 позволяет более длительное время сохранять полезные биохимические свойства талой воды (высокий рН и низкий ОВП).
Аппарат находится в состоянии ожидания запуска следующего цикла приготовления новой порции очищенной талой воды, постоянно поддерживая режим ее хранения в накопительной емкости 14.
Толщина кольцевого чистого слоя «В» льда после завершения фазы Ф6 составляет 18 мм. Выход чистой талой воды составляет 52,5%. По данным таблицы 3 средний коэффициент К очистки и получения талой воды составляет 1,802; средний коэффициент изменения электрохимических показателей талой воды составляет 1,25.
Пример 2. Описание работы аппарата в режиме очистки воды при ее перемешивании (динамический режим очистки, «Регистр 2»)
Пользователь заливает исходный объем 4 литра неочищенной воды в емкость 1, выбирает режим очистки «Регистр 2» и нажимает кнопку «Пуск» на мониторе 18. Перед этим микропроцессорный блок 17 напоминает о необходимости очистить бак 16, контролируя количество порций "рассола" с помощью тензодатчика 50. После слива «рассола» из бака 16 микропроцессорный блок 17 обеспечивает открытие клапана 43 и промывку водопровода 44 из емкости 1 (Фиг. 3), закрытие клапана 43 и запуск холодильного контура средства 13 в работу.
Микропроцессорный блок 17 подает одновременно сигнал на вторую плату 20 управления и запускает режим охлаждения емкости 1 и сигнал на первую плату 19 управления, которая включает газовихревой активатор 9 (фиг.1), который функционирует в период прохождения фаз Ф1, Ф2 и Ф3 очистки воды.
При вращении лопастного колеса газовихревого активатора 9 над поверхностью очищаемой воды создаются разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости «Б» под выпуклой крышкой 2 емкости 1 над поверхностью воды формируется закрученный поток воздуха с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне, который генерирует в воде аналогичное турбулентное вращательное движение с перемешиванием воды вдоль оси емкости 1 (фиг.1).
Сжатый компрессором 21 теплоноситель в виде горячего пара с высоким давлением проходит по трубопроводу 35 (фиг.3) через открытый вентиль 26 в конденсатор 22, где охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления.
При этом дроссель 25 не участвует в работе, т.к. потеря давления в нем намного выше и вентиль 31 закрыт.Вентили 30, 29 и 32 также закрыты. (Фиг. 3). После конденсатора 22 жидкий хладагент под высоким давлением проходит по трубопроводу 35, далее беспрепятственно через открытый вентиль 27, фильтр-осушитель 34 поступает в дроссель 23, где давление жидкого теплоносителя (хладагента) снижается и с низким давлением поступает по трубопроводу 36 в трубчатый испаритель 6 теплообменной емкости 1. В трубчатом испарителе 6 хладагент закипает, испаряется и поглощает тепло, охлаждая и замораживая воду в теплообменной емкости 1 при температуре кипения в режиме охлаждения и заморозки составляющей -15°С.
Далее по трубопроводу 37 хладагент в виде пара низкого давления проходит через открытый вентиль 28 в трубопровод 35, и далее поступает обратно в компрессор 21 (Фиг. 3). При этом вентили 33, 31 закрыты.
На данном этапе цикла приготовления (очистки) воды холодильный агрегат обеспечивает последовательно несколько фаз изменения ее состояния (табл.1):
- Ф1 - охлаждение исходного объема перемешиваемого жидкого раствора.
- Ф2 - фазовый переход (очаговые образования шуги) перемешиваемой воды.
- Ф3 - заморозка воды в состоянии перемешивания (формирование фронтально-кольцевого конусного слитка на боковой поверхности рабочей емкости 1.
После прохождения в цикле очистки воды фаз Ф1, Ф2 и Ф3 (табл.1) первая плата 19 выключает газовихревой активатор 9 (Фиг. 1). Дальнейшее функционирование процессов в емкости 1 и холодильно-компрессорного контура средства 13 соответствует описанию, приведенному в примере 1. Толщина кольцевого чистого слоя «В» льда после завершения фазы Ф6 составляет 22 мм. Выход чистой талой воды равен 62,5%. По данным таблицы 3 средний коэффициент К очистки и получения талой воды составляет 4,79; средний коэффициент изменения электрохимических показателей талой воды составляет 2,85.
Анализ и сравнение таблиц 1, 2 и 3 показывает достижение заявляемого технического результата, а именно: повышение качества очистки (коэффициент К очистки повышается в 2,6 раза), сокращение сроков приготовления очищенной талой воды (полный цикл получения готового продукта сокращается на 80-90 минут) и увеличение ее выхода на 10% за счет обеспечения возможности проведения процесса замораживания (кристаллизации) воды в динамическом режиме (Регистр 2) при газовихревом перемешивании очищаемой воды по сравнению со статическим режимом (Регистр 1).