УЗЕЛ ОБРАТНОГО ОСМОСА АППАРАТА ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ ВОДЫ ОБЩЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к аквавендингу, а именно к автоматам продажи питьевой воды, полученной из воды сети общего водоснабжения путем ее очистки с использованием обратного осмоса, характеризующегося прерывистым характером своего функционирования, объективно обусловленным характером аквавендинга.
Уровень техники
Общеизвестно использование обратного осмоса для очистки воды (https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Обратный_осмос&stable=0&redirect=no).
Известна и проблема такой очистки, связанная с забиванием пор обратноосмотической мембраны примесями, содержащимися в исходной воде, и отложением осадков этих примесей на ее внутренней поверхности. На это есть несколько причин: это и концентрационная поляризация, и адсорбция, и образование геля. Также известно и решение этой проблемы, заключающееся в химической очистке поверхности мембраны, которая заключается в использовании ряда химических реагентов как по отдельности, так и в различных сочетаниях. Такая химическая очистка включает рециркуляцию раствора химического агента в течение 20-30 минут, экспозицию этого раствора в течение 20-30 минут, дополнительную рециркуляцию в течение 15-20 минут, дальнейший смыв раствора с поверхности мембраны очищенной водой (см., например, https://www.c-o-k.ru/articles/obratnyy-osmos-teoriya-praktika-rekomendacii).
Причина, препятствующая получению в указанном известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявленным для патентования узлом, заключается в использовании именно химической очистки, которая сложна технологически, требует значительного времени, предъявляет повышенные требования как к химической устойчивости мембраны к реагенту, так и к процедуре последующего удаления реагента из мембраны (очистки мембраны от реагента).
Известен узел обратного осмоса аппарата подготовки питьевой воды из воды общего водоснабжения (прототип), который содержит установленные в корпусе аппарата входной управляемый клапан, повышающий насос, обратноосмотическую мембрану с входом и выходами пермеата и концентрата, гидравлическое сопротивление отвода этого концентрата в канализацию, гидроаккумулятор для временного аккумулирования пермеата, взятого с выхода мембраны, насос выдачи пермеата из гидроаккумулятора потребителю пермеата, а также контроллер, который электрически соединен с выходом датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе, с цепью электропитания повышающего насоса, цепью электропитания насоса выдачи пермеата, а также с управляющим входом входного управляемого клапана, предназначенного для подачи исходной воды, подлежащей очистки обратным осмосом, на вход повышающего насоса, выход которого гидравлически соединен с входом мембраны (см. описание полезной модели по патенту RU №206266 U1, МПК C02F 9/00, G07F 13/00, опубликовано: 02.09.2021. Бюл. №25).
Признаки известного узла (прототипа), общие с признаками заявленной полезной модели, есть перечисленные выше признаки прототипа.
Причина, препятствующая получению в известном узле (прототипе) технического результата, который обеспечивается заявленной для патентования полезной моделью, заключается в том, что в прототипе очистку мембраны осуществляют промывкой пропускаемым через мембрану интенсивным потоком промывочной воды, в качестве которой берут исходную воду, направляемую в процессе промывки в канализацию через открытый клапан, шунтирующий упомянутое гидравлическое сопротивление отвода концентрата в канализацию. Это требует большого расхода очищающей воды, уходящей при этом в канализацию, и при этом характеризуется малой эффективностью очистки из-за сугубо механического воздействия потока очищающей воды на подлежащие удалению отложения осадков на поверхности мембраны.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявленная для патентования полезная модель заключается в необходимости повышения эффективности нехимической очистки мембраны (т.е. очистки водой) и, как следствие, в увеличении продолжительности ее (мембраны) эффективной работы.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, опосредствующий решение данной технической проблемы, заключается в том, что очистка мембраны осуществляется в каждом перерыве в ее (мембраны) стандартной обратноосмотической работы, при этом используется диффузионная очистка внутренним (для этой мембраны) пермеатом, который для этого взят из гидроаккумулятора и подан в мембрану, где осуществляется его диффузионная экспозиция, очищающая мембрану, а после этого этот обогащенный примесями пермеат в следующем процессе стандартной обратноосмотической очистки подвергается стандартному разделению мембраной на пермеат и концентрат.
Достигается технический результат тем, что заявленный узел обратного осмоса аппарата подготовки питьевой воды из воды общего водоснабжения содержит установленные в корпусе аппарата входной управляемый клапан (1), предназначенный для пропуска в узел исходной воды, повышающий насос (2), вход которого соединен с выходом указанного клапана (1), обратноосмотическую мембрану (3), имеющую вход (4), соединенный с выходом указанного насоса (2), и выходы пермеата (5) и концентрата (6), гидравлическое сопротивление (7) отвода этого концентрата в канализацию, гидроаккумулятор (9) для временного аккумулирования пермеата, взятого с выхода (5) мембраны (3), насос (10) выдачи пермеата из гидроаккумулятора (9) потребителю пермеата, контроллер (11), который электрически соединен с выходом датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе (9), с цепью электропитания повышающего насоса (2), с цепью электропитания насоса (10) выдачи пермеата и с управляющим входом указанного клапана (1), а также расположенный в корпусе аппарата трубопровод (12) возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора (9) на вход повышающего насоса (2), при этом в разрыв этого трубопровода (12) гидравлически последовательно включены установленные в корпусе аппарата управляемый клапан (13) возвращающей подачи пермеата, управляющий вход которого электрически соединен с контроллером (11), и обратный клапан (14).
Краткое описание чертежей
На фигуре (без номера) приведена функциональная схема заявленного узла. При этом сплошными линиями показаны трубопроводы, а пунктирными линиями - электрические линии связи конструктивных элементов узла с контроллером 11.
Осуществление полезной модели
Узел содержит:
- входной управляемый клапан 1, предназначенный для пропуска в рассматриваемый узел исходной воды, т.е. воды, взятой из сети общего водоснабжения и предварительно очищенной фильтрами и далее подлежащей окончательной очистке обратным осмосом, путем подачи этой исходной воды на вход повышающего насоса 2;
- повышающий насос 2 для подачи исходной воды в мембрану 3 через ее вход 4;
- обратноосмотическую мембрану 3 с входом 4 и выходами пермеата 5 и концентрата 6;
- гидравлическое сопротивление 7 отвода этого концентрата в канализацию;
- шунтирующий управляемый клапан 8, гидравлически включенный параллельно указанному сопротивлению 7 для возможности гидравлического шунтирования этого сопротивления;
- гидроаккумулятор 9 для временного аккумулирования пермеата, взятого с выхода 5 мембраны 3;
- насос 10 выдачи пермеата из гидроаккумулятора 9 потребителю пермеата;
- контроллер 11 для управления работой рассматриваемого узла;
- трубопровод 12 возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора 9 на вход повышающего насоса 2, так что этот трубопровод расположен в корпусе аппарата, причем в его (трубопровода 12) разрыв гидравлически включены установленные в корпусе аппарата управляемый клапан 13 возвращающей подачи пермеата, управляющий вход которого электрически соединен с контроллером 11, и обратный клапан 14.
При этом контроллер 11 электрически соединен с выходом датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе 9, с цепью электропитания повышающего насоса 2, с цепью электропитания насоса 10 выдачи пермеата, а также с управляющими входами указанных клапанов 1, 8, 13.
Применяемая в аквавендинговых аппаратах мембрана 3 по экономическим причинам характеризуется относительно небольшой производительностью, т.е. не является такой, что выдача пермеата потребителю пермеата могла бы осуществляться непосредственно с выхода 5 мембраны 3, так как для этого понадобилось бы слишком большое время выдачи пермеата потребителю пермеата, что, собственно, и обусловливает необходимость применения гидроаккумулятора 9 и, соответственно, достаточно производительного насоса 10.
Повышающий насос 2 предназначен для повышения давления исходной воды с целью обеспечения нормальной работы мембраны 3. При этом в качестве насоса 2 может использоваться диафрагменный насос, который, с одной стороны, функционально ориентирован именно на повышение давления, а с другой стороны, требует перерывов в работе для предотвращения перегрева его электропривода, что в целом вполне релевантно задачам аквавендинга. Кроме того, исходя из задачи электробезопасности использован насос с электроприводом постоянного тока небольшой мощности с низковольтным питанием (12, 24, 36, или 48 В).
Выход пермеата 5 мембраны 3 гидравлически связан с входом гидроаккумулятора 9 (обычно выполненного в виде гравитационного гидроаккумулятора и при этом содержащего источник ультрафиолетового излучения), выход которого связан с насосом 10 для выдачи пермеата потребителю пермеата из гидроаккумулятора 9.
Что касается выхода концентрата 6 мембраны 3, то он через сопротивление 7 гидравлически связан с канализацией, а параллельно ему (сопротивлению 7) включен управляемый клапан 8 для прямого (т.е. минуя сопротивление 7) отвода воды из мембраны 3 в канализацию в случае (как это предусмотрено в прототипе) промывки мембраны 3 потоком воды. Наличие сопротивления 7 является, как это широко известно, обязательным условием обратноосмотической работы мембраны 3, а наличие клапана 8 в данном узле связано с выполнением функции заполнения мембраны 3 пермеатом, взятым из гидроаккумулятора 9 по трубопроводу 12 при помогли насоса 2. Однако наличие клапана 8 не является обязательным для возможности заполнения мембраны 3 пермеатом, взятым из гидроаккумулятора 9: мембрана 3 также может быть заполнена путем использования стандартного обратноосмотического разделения находящегося в мембране остатка воды на пермеат и концентрат с отведением концентрата в канализацию через сопротивление 7.
Линия возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора 9 в мембрану 3 содержит насос 2 и трубопровод 12, в разрыв которого включены управляемый клапан 13 и обратный клапан 14.
Работа узла заключается в следующем.
В период времени, предшествующий началу работы аппарата, все насосы узла выключены, все управляемые клапаны закрыты, а гидроаккумулятор 9 пуст.
При включении аппарата в работу контроллер 11 открывает клапан 1 и включает насос 2. Вследствие этого исходная вода (взятая из сети общего водоснабжения и предварительно очищенная фильтрами) поступает под давлением на вход 4 мембраны 3, в которой осуществляется ее (исходной воды) разделение на пермеат (выход 5) и концентрат (выход 6). При этом пермеат с выхода 5 поступает в гидроаккумулятор 9 до его заполнения, а концентрат с выхода 6 через гидравлическое сопротивление 7 поступает в канализацию.
Известно, что побочным и неизбежным продуктом любого процесса обратного осмоса является образование на внутренней поверхности мембраны 3 слоя отложений молекул веществ примесей, которые содержатся в исходной воде и которые не прошли через поры мембраны 3 и вследствие этого «забивают» поры мембраны, повышая тем сам ее гидравлическое сопротивление, снижающее со временем ее производительность. Отсюда актуальна эффективная очистка мембраны именно водой, максимально очищенной от примесей. Это как раз и позволяет предлагаемая здесь диффузионная очистка мембраны пермеатом в перерывах процесса аквавендинга, основанная на периодически повторяемой диффузионной экспозиции внутреннего пермеата мембраны.
По заполнении гидроаккумулятора 9 по сигналу, поступившему в контроллер 11 от датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе 9 (датчик не показан), контроллер 11 закрывает клапан 1, вследствие чего в обратноосмотической работе мембраны 3 возникает первый перерыв, который длится до прихода первого потребителя пермеата.
При этом в этом первом перерыве насос 2 продолжает работать, а контроллер 11, закрыв клапан 1, в то же время (т.е. в самом начале рассматриваемого перерыва) открывает клапаны 8 и 13, вследствие чего из гидроаккумулятора 9 по трубопроводу 12 продолжающий работать насос 2 подает на вход 4 мембраны 3 пермеат, который, поступая в мембрану 3, вытесняет из мембраны 3 содержащийся в ней остаток исходной воды, так что этот остаток напрямую выходит из мембраны 3 через открытый клапан 8 в канализацию.
По окончании этого процесса вытеснения, т.е. когда мембрана 3 будет полностью или по большей (приемлемой) части заполнена пермеатом, взятым из гидроаккумулятора 9 (т.е. пермеатом, который вследствие этого теперь является внутренним пермеатом мембраны 3), контроллер 11 выключает насос 2 и закрывает клапаны 8 и 13. При таких обстоятельствах далее осуществляется диффузионная экспозиция этого внутреннего пермеата мембраны 3 в течение всего остатка времени рассматриваемого перерыва в ее работе. Эта диффузионная экспозиция внутреннего пермеата мембраны 3 заключается в том, что этот внутренний пермеат в течение всего дальнейшего времени рассматриваемого перерыва в обратноосмотической работе мембраны 3 находится в мембране 3 без движения. При этом, поскольку концентрация молекул примесей в объеме этого внутреннего пермеата по определению весьма мала, а в пристенном слое отложений мембраны 3 наоборот, весьма высока, то благодаря именно такой значительной разности концентраций примесей в течение всего рассматриваемого остатка времени перерыва осуществляется спонтанная диффузия молекул примесей из пристенного слоя мембраны 3 в объем внутреннего пермеата мембраны 3, в результате чего пристенный слой мембраны 3 обедняется молекулами примесей (т.е. происходит процесс диффузионной очистки мембраны 3), а внутренний пермеат мембраны наоборот обогащается, приближаясь тем самым по своему составу к исходной воде или даже становясь эквивалентным ей (т.е. становясь диффузионно обогащенным примесями пермеатом).
Этот первый перерыв заканчивается, когда до системы доходит первый потребитель пермеата и запускает процесс выдачи ему пермеата, а контроллер 11 вследствие этого включает насос 10, осуществляющий выдачу пермеата из гидроаккумулятора 9 в тару потребителя пермеата с приемлемой для этого автономной производительностью. В свою очередь, эта выдача ведет к понижению уровня пермеата в гидроаккумуляторе 9, что требует соответствующей компенсации. Тогда, как раз для этой компенсации, по сигналу от датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе 9 контроллер 11 открывает клапан 1 и включает насос 2. В результате этой обычной работы на вход 4 мембраны 3 поступает исходная вода, поток которой неизбежно интегрируется с внутренним (диффузионно обогащенным) пермеатом мембраны 3, и вся эта, образно говоря «интегрированная», вода проходит далее обычное обратноосмотическое разделение мембраной 3 на пермеат 5 и концентрат 6, так что пермеат 5 как обычно поступает в гидроаккумулятор 9 до его полного заполнения, а концентрат 6 - в канализацию через сопротивление 7.
Таким образом, насос 2 выполняет две разделенные по времени и скоординированные контроллером 11 функции: функцию подачи исходной (подлежащей очистке обратным осмосом) воды в мембрану 3 с разделением этой воды этой мембраной на пермеат, накапливаемый в гидроаккумуляторе 9, и концентрат, отводимый в канализацию через гидравлическое сопротивление 7, и функцию подачи пермеата из гидроаккумулятора 9 по трубопроводу 12 в мембрану 3 для его (пермеата) последующей диффузионной экспозиции в этой мембране. И эта неразрывная асинхронно скоординированная пара функций, «утомительно» повторяющаяся с частотой повторяемости перерывов в обратноосмотической работе мембраны 3, как раз именно благодаря такой повторяемости и обеспечивает высокую эффективность очистки мембраны 3 и, соответственно, значительную продолжительность ее (мембраны) бесперебойной работы, так как такая повторяемость не дает молекулам примесей закрепиться на мембране.
После окончания описанных выше процессов возникает второй перерыв с теми же процессами, что и в первом перерыве, после которого до аппарата доходит второй потребитель пермеата и так далее. Таким образом, процесс работы аппарата характеризуется наличием последовательности перерывов в обратноосмотической работе мембраны 3 с неопределенным числом перерывов в этой последовательности и неопределенным временем каждого перерыва. И при этом каждый перерыв используется для диффузионной очистки мембраны 3 путем диффузионной экспозиции внутреннего пермеата в мембране 3. При этом высокая эффективность такой диффузионной очистки во многом обусловлена тем, что она производится в отношении частиц примесей на поверхности мембраны 3, которых еще мало на поверхности мембраны 3 и которые еще не успели как следует закрепиться на поверхности мембраны 3, так как процесс ее диффузионной очистки начинается сразу же, как только заканчивается очередной предшествующий этой очистке рабочий период обратного осмоса.