EA 025716B1 20170130 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2017\PDF/025716 Полный текст описания [**] EA201300969 20130911 Регистрационный номер и дата заявки EAB1 Код вида документа [PDF] eab21701 Номер бюллетеня [GIF] EAB1\00000025\716BS000#(672:646) Основной чертеж [**] СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕПЛООБМЕННАЯ ЕМКОСТЬ (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Название документа [8] C02F 1/22, [8] C02F 9/02, [8] C02F103/04 Индексы МПК [RU] Зоткин Сергей Валерьевич Сведения об авторах [RU] ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ГРУППА А8 Сведения о патентообладателях [RU] ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ГРУППА А8 Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000025716b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Способ очистки воды методом перекристаллизации, включающий заполнение теплообменной емкости водой для очистки; охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи теплообменной емкости посредством контактирующих с ее термопроводными стенками термоэлементов для их охлаждения и нагрева, отличающийся тем, что воду перед очисткой формируют в виде плоского или замкнутого в кольцо слоя путем заполнения водой теплообменной емкости, внутренний объем которой выполнен в виде плоской или замкнутой в кольцо щелевой полости, а плавление льда под действием положительной температуры и слив талой воды осуществляют одновременно, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при температуре плавления льда.

2. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, отличающаяся тем, что снабжена узлом для наклона емкости для очистки воды под углом к вертикальной плоскости и включает две плоскопараллельные вертикально ориентированные боковые стенки, между которыми имеется зазор для образования плоской щелевой полости.

3. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева емкости, отличающаяся тем, что выполнена в виде кюветы с крышкой, между днищем и крышкой которой образована плоская щелевая полость, причем днище кюветы расположено под углом к горизонтальной плоскости, под которым на части его поверхности размещены термоэлементы охлаждения и нагрева стенок днища, а сливной патрубок расположен у нижнего края днища, свободного от термоэлементов.

4. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, отличающаяся тем, что выполнена в виде усеченного полого конуса, вертикально ориентированного раструбом вверх и имеющего крышку, причем емкость снабжена вставкой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной внутри емкости с зазором относительно ее стенок и днища с образованием кольцевой щелевой полости.

5. Теплообменная емкость по п.4, отличающаяся тем, что вставка прикреплена торцом к крышке емкости.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

1. Способ очистки воды методом перекристаллизации, включающий заполнение теплообменной емкости водой для очистки; охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи теплообменной емкости посредством контактирующих с ее термопроводными стенками термоэлементов для их охлаждения и нагрева, отличающийся тем, что воду перед очисткой формируют в виде плоского или замкнутого в кольцо слоя путем заполнения водой теплообменной емкости, внутренний объем которой выполнен в виде плоской или замкнутой в кольцо щелевой полости, а плавление льда под действием положительной температуры и слив талой воды осуществляют одновременно, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при температуре плавления льда.

2. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, отличающаяся тем, что снабжена узлом для наклона емкости для очистки воды под углом к вертикальной плоскости и включает две плоскопараллельные вертикально ориентированные боковые стенки, между которыми имеется зазор для образования плоской щелевой полости.

3. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева емкости, отличающаяся тем, что выполнена в виде кюветы с крышкой, между днищем и крышкой которой образована плоская щелевая полость, причем днище кюветы расположено под углом к горизонтальной плоскости, под которым на части его поверхности размещены термоэлементы охлаждения и нагрева стенок днища, а сливной патрубок расположен у нижнего края днища, свободного от термоэлементов.

4. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, отличающаяся тем, что выполнена в виде усеченного полого конуса, вертикально ориентированного раструбом вверх и имеющего крышку, причем емкость снабжена вставкой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной внутри емкости с зазором относительно ее стенок и днища с образованием кольцевой щелевой полости.

5. Теплообменная емкость по п.4, отличающаяся тем, что вставка прикреплена торцом к крышке емкости.


Евразийское 025716 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201300969
(22) Дата подачи заявки
2013.09.11
(51) Int. Cl.
C02F1/22 (2006.01) C02F 9/02 (2006.01) C02F103/04 (2006.01)
(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ И
ТЕПЛООБМЕННАЯ ЕМКОСТЬ (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
RU-C2-2421404 RU-C1-2415813 RU-C2-2432320
(43) 2015.05.29 (56) RU-C1-2393996
(96) 2013000120 (RU) 2013.09.11
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ UA-A-28514 ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ГРУППА RU-U1-120413 А8" (RU) US-B2-7467526
(72) Изобретатель:
Зоткин Сергей Валерьевич (RU)
(57) Изобретение относится к способам и средствам для очистки воды методом перекристаллизации и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине. Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа и теплообменной емкости для очистки воды методом перекристаллизации, которые обеспечивают повышение качества и сокращение времени очистки воды. Способ очистки воды включает заполнение теплообменной емкости водой для очистки, охлаждения и последующего ее замораживания в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды. Воду перед очисткой формируют в виде плоского или замкнутого в кольцо слоя путем заполнения водой теплообменной емкости, внутренний объем которой выполнен в виде плоской или замкнутой в кольцо щелевой полости. Теплообменная емкость для очистки воды (пять вариантов) выполнена из термопроводного материала и имеет стенки, образующие плоскую вертикальную, или горизонтальную, или наклонную щелевую полость либо кольцевую коническую или цилиндрическую щелевую полость.
Изобретение относится к способам и средствам для очистки воды методом перекристаллизации, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине.
Известный метод очистки воды перекристаллизацией состоит в ее замораживании при температуре несколько ниже 0°C (например, от -2 до -6°C) 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 способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии. Замораживание воды проводят до 70-90% от ее объема, таяние льда осуществляют путем теплоизоляции его боковых и нижней поверхностей до образования 30-55% от объема талого стока с последующим его удалением (патент РФ № 2077160, МПК C02F 1/22, опубл. 10.04.1997).
Известны также способы получения высокочистой питьевой воды, обладающей биологически активными свойствами, в которых, помимо ряда стадий по очистке воды, имеется стадия замораживания воды (патент СССР № 1799367, МПК C02F 9/00, 1991, патент РФ № 2010772, МПК C02F 9/00, 1992, патент РФ № 2031085, МПК C02F 9/00, 1992).
К недостаткам вышеприведенных способов можно отнести длительность цикла и невысокую степень очистки воды, что обусловлено отсутствием оптимально подобранной геометрии теплообменной емкости и режимов замораживания и оттаивания 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.
Однако данное устройство обеспечивает недостаточное качество очистки воды, сложно в конструктивном выполнении и не имеет оптимально подобранной геометрии теплообменной емкости.
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 данное устройство обеспечивает недостаточное качество очистки воды от примесей и имеет длительный цикл очистки. Кроме того, устройство имеет большие габариты морозильной камеры и общий вес установки, предназначенной для опреснения воды в промышленных масштабах, что затрудняет его использование в бытовых и офисных условиях.
Известен способ очистки воды в емкости (патент РФ № 2274607, МПК C02F 1/22, опубл.
20.04.2006) , включающий отвод тепла с помощью размещенного в емкости теплообменника, размещенного в верхней части емкости, примерно на 1/3-2/3 высоты столба жидкости от верхних ее слоев на равноудаленном расстоянии от центра и боковых поверхностей емкости, обеспечивающего разность температур в пределах от плюс 1 до минус 1°C, обусловливающую процесс локально-объемной кристаллизации при непрерывном постепенном многоступенчатом намораживании кристаллов льда вокруг теплообменника. Для очистки воды проводят непрерывное постепенное многоступенчатое намораживание кристаллов льда вокруг теплообменника по массе не более 50-70% от общей массы исходной воды, слив из емкости незамерзшей воды с примесями, полное размораживание льда и повторное частичное намораживание до небольших объемов в пределах 3-7% от ее массы и слив талой воды для ее потребления с одновременной фильтрацией через фильтр тонкой очистки. Слив воды с примесями и слив талой воды после размораживания производят в разных по высоте емкости сечениях и по разным каналам, при этом слив воды с примесями производят через канал, выполненный в самом нижнем основании дна емкости, а слив талой воды производят через канал, расположенный на 0,5-2 см выше дна емкости.
Размораживание льда производят в два этапа, при этом на первом этапе размораживают до 90-95% льда от его общего объема, содержащего небольшой процент тяжелых изотопов водорода, а на втором этапе размораживают лед, оставшийся на теплообменнике от начальной кристаллизации и содержащий большой процент тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития. Причем размораживание льда произ
водят путем постепенного повышения температуры до состояния парообразования и конвекционного перемещения нагретых до температуры не выше 40-80°C слоев пара. Размораживание льда производят путем нагревания экранированного кабеля, намотанного на боковую поверхность емкости.
Известна установка для очистки воды (патент РФ № 2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006), 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) способа является способ очистки воды (патент РФ № 2393996, МПК C02F 1/22, опубл. 10.07.2010), включающий первое охлаждение воды в термостати-руемой рабочей емкости и последующее ее постепенное замораживание при температуре выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в течение времени, достаточного для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями, слив указанного рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры до значений, превышающих температуру кристаллизации тяжелой воды, и выдержке льда при указанной температуре до полного его размораживания, повторное охлаждение воды до температуры кристаллизации тяжелой воды и выдержке ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды и слив готового продукта в виде очищенной талой воды в потребительскую емкость при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки. Нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов в автоматическом режиме, температуру среды внутри рабочей емкости при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°C/мин, время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°C, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже -4°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,05-0,1°C/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше 10°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,16-0,18°C/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже 2°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°C/мин.
Наиболее близким аналогом (прототипом) устройства является аппарат для очистки воды (патент РФ № 2393996, МПК C02F 1/22, опубл. 10.07.2010), включающий корпус, в котором размещены термостатированная рабочая емкость с крышкой и наклонным днищем с отверстием для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, потребительская емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы со средством) для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию наклонного днища рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки которых установлены соответственно над потребительской емкостью для приема очищенной талой воды и емкостью для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Средства для замораживания воды и таяния льда выполнены в виде термоэлектрического модуля, содержащего несколько термоэлектрических элементов, расположенных снаружи на боковой стенке рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, средство для управления сливом воды в трубопроводах содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана, а указанные трубопроводы для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды, участки соединения которого с трубопроводами для слива воды расположены между клапанами средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах (9 и 10). Рабочая емкость выполнена прямоугольной формы, соотношение ее высоты к длине и ширине составляет соответственно не менее 1,0 и не более
1,2.
Однако в вышеприведенных аналогах и прототипе (способах и устройствах) процесс очистки воды занимает длительное время, так как масса намораживаемого льда в известных конструкциях емкостей
для очистки воды с неоптимальной геометрией (цилиндрической, кубической или близких к ним формах) формируется толстым слоем (слитком) не только на внутренней поверхности охлаждаемых стенок емкости, но и в объеме жидкости, вследствие чего процесс передачи энергии от поверхности емкости к объему очищаемой воды замедляется пропорционально увеличению толщины намораживаемого слоя льда. Кроме того, с увеличением толщины слоя льда снижается интенсивность процесса вытеснения примесей на границе фронта "лед-вода".
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа и теплооб-менной емкости для очистки воды методом перекристаллизации, которые обеспечивают повышение качества и сокращение времени очистки воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды методом перекристаллизации, включающем заполнение теплообменной емкости водой для очистки, охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей, слив указанного жидкого концентрата, плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи теплообмен-ной емкости посредством контактирующих с ее термопроводными стенками термоэлементов для их охлаждения и нагрева, согласно изобретению воду перед очисткой формируют в виде плоского или замкнутого в кольцо слоя путем заполнения водой теплообменной емкости, внутренний объем которой выполнен в виде плоской или замкнутой в кольцо щелевой полости, а плавление льда под действием положительной температуры и слив талой воды осуществляют одновременно, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при температуре плавления льда.
Указанный технический результат достигается также тем, что в теплообменной емкости для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1 (первый вариант), выполненной из термопроводного материала и имеющей в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, согласно изобретению она снабжена узлом для наклона емкости для очистки воды под углом к вертикальной плоскости и включает две плоскопараллельные вертикально ориентированные боковые стенки, между которыми имеется зазор для образования плоской щелевой полости. Кроме того, теплообменная емкость снабжена узлом для наклона емкости для очистки воды под углом к вертикальной плоскости.
Указанный технический результат достигается также тем, что в теплообменной емкости для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1 (второй вариант), выполненной из термопроводного материала и имеющей в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, согласно изобретения, она выполнена в виде кюветы с крышкой, между днищем и крышкой которой образована плоская щелевая полость, причем днище кюветы расположено под углом к горизонтальной плоскости, под которым на части его поверхности размещены термоэлементы охлаждения и нагрева стенок днища, а сливной патрубок расположен у нижнего края днища, свободного от термоэлементов.
Указанный технический результат достигается также тем, что в теплообменной емкости для очистки воды методом перекристаллизации (третий вариант), выполненной из термопроводного материала и имеющей в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, согласно изобретению она выполнена в виде усеченного полого конуса, вертикально ориентированного раструбом вверх и имеющего крышку, причем емкость снабжена вставкой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной внутри емкости с зазором относительно ее стенок и днища с образованием кольцевой щелевой полости. Кроме того, вставка теплообмен-ной емкости прикреплена торцом к крышке указанной емкости.
Термоэлементы могут быть выполнены в виде термоэлектрической батареи, работающей в режиме охлаждения или нагрева, или в виде испарительной трубки холодильного агрегата (термоэлементы охлаждения) и трубчатого электронагревателя (термоэлементы нагрева).
Сокращение времени очистки воды обеспечивается за счет того, что в щелевой полости емкости вода кристаллизуется в виде слоя льда небольшой толщины на одной из боковых стенок емкости в течение непродолжительного времени за счет интенсивного теплообмена между охлаждаемой поверхностью стенки емкости через тонкий слой льда с водой, а существенный объем этого чистого льда образуется за счет развитой (большой) площади боковой поверхности емкости, имеющей внутренний объем в виде плоской или кольцевой щели. Известно, что при одном и том же объеме наименьшую площадь поверхности будет иметь емкость в виде шара. Площадь поверхности кубической емкости того же объема увеличивается приблизительно в 1,24 раза. Площадь поверхности заявляемой теплообменной емкости того же объема с плоским или кольцевым щелевым внутренним объемом может быть увеличена от 2 до 10 раз. В этой связи поглощение тепла в охлаждаемой воде может быть увеличено в несколько раз, вследствие чего сокращается время замораживания и очистки воды.
Удельный тепловой поток q определяется по формуле
q=k ДТ/ L, Вт/м2 где k - коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м-К); ДТ - перепад температур при прохождении через слой льда, К; L - толщина слоя льда, м.
Из вышеприведенной формулы видно, что чем меньше толщина (L) слоя льда, тем больший удельный тепловой поток передается охлаждаемой воде и тем быстрее вода кристаллизуется, вследствие чего сокращается время очистки воды. Повышение качества очистки воды достигается за счет пристеночной кристаллизации очищаемой воды. Наиболее чистый лед кристаллизуется тонким слоем на охлажденной стенке емкости с водой. С увеличением толщины слоя льда процесс льдообразования замедляется, а его чистота и физико-химические характеристики снижаются (уменьшается рН и увеличивается окислительно-восстановительный потенциал - ОВП).
Качество чистой талой воды повышается также за счет того, что процесс плавления льда совмещен со сливом воды в термостатированную накопительную емкость. При этом на талую воду в процессе плавления льда практически не влияет повышенная температура стенок емкости для очистки воды, которая снижает биологическую активность талой воды и разрушает ее структуру.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1-3 представлена схема теплообменной емкости (первый вариант) с вертикальным расположением ее щелевой полости, соответственно вид спереди, сбоку и общий вид.
На фиг. 4 изображена схема первого варианта теплообменной емкости (вид сбоку), снабженной узлом ее наклона под углом к вертикальной плоскости.
На фиг. 5 представлена схема второго варианта теплообменной емкости с горизонтальным расположением ее щелевой полости.
На фиг. 6 изображена схема третьего варианта теплообменной емкости с расположением ее щелевой полости под углом к горизонтальной плоскости.
На фиг. 7 приведена схема четвертого варианта теплообменной емкости с кольцевой щелевой полостью в виде усеченного конуса.
На фиг. 8 приведена схема пятого варианта теплообменной емкости с кольцевой цилиндрической щелевой полостью.
На фиг. 9 - то же, разрез А-А.
На фиг. 10 приведена схема аппарата для очистки воды методом перекристаллизации, в которой используется заявляемая теплообменная емкость (пять вариантов).
Теплообменная емкость 1 для очистки воды методом перекристаллизации (первый вариант, фиг. 1-3) включает две плоскопараллельные вертикально ориентированные боковые стенки 2 и 3, между которыми имеется зазор для образования плоской щелевой полости 4. Емкость 1 выполнена из термопроводного материала и имеет в днище 5 сливной патрубок 6 и расположенные на наружной поверхности ее стенки 2 или 3 термоэлементы 7 для охлаждения и термоэлементы 8 для нагрева стенки 3 емкости 1. Для сокращения тепловых потерь емкость 1 может быть снаружи изолирована слоем термоизоляции (на чертежах не показан).
Кроме того, теплообменная емкость 1 (фиг. 4) может быть снабжена узлом 9 наклона емкости 1 для очистки воды под углом к вертикальной плоскости с фиксатором положения.
Теплообменная емкость 10 (фиг. 5) для очистки воды методом перекристаллизации (второй вариант) выполнена в виде горизонтально ориентированной кюветы 11 с крышкой 12, между днищем 13 и крышкой 12 которой образована плоская щелевая полость 14. Емкость 10 выполнена из термопроводного материала и имеет в днище 13 сливной патрубок 15, термоэлементы 16 охлаждения и термоэлементы 17 нагрева, размещенные на крышке 12 кюветы 11. Под днищем 13 размещены термоэлементы 18 нагрева стенки днища 13. Для сокращения тепловых потерь емкость 10 может быть снаружи изолирована слоем термоизоляции (на чертежах не показан).
Теплообменная емкость 19 для очистки воды методом перекристаллизации (третий вариант) выполнена в виде кюветы 20 с крышкой 21, между днищем 22 и крышкой 21 которой образована щелевая полость 23. Емкость 19 выполнена из термопроводного материала, днище 22 которой расположено под углом к горизонтальной плоскости, под которым на верхней части его поверхности размещены термоэлементы 24 охлаждения и термоэлементы 25 нагрева стенок днища 22. Сливной патрубок 26 расположен у нижнего края днища 22, свободного от термоэлементов 24 и 25. Для сокращения тепловых потерь емкость 19 может быть снаружи изолирована слоем термоизоляции (на чертежах не показан).
Теплообменная емкость 27 (фиг. 7) для очистки воды методом перекристаллизации (четвертый вариант) выполнена из термопроводного материала в виде усеченного полого конуса 28 вертикально ориентированного раструбом вверх, имеет крышку 29 и снабжена вставкой 30, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной внутри емкости 27 с зазором относительно ее стенок и днища 31 с образованием кольцевой щелевой полости 32. Вставка 30 прикреплена торцом (наибольшим основанием) к крышке 29 указанной емкости 27. В днище 31 установлен сливной патрубок 33, а на наружной кониче
ской поверхности емкости 27 размещены термоэлементы 34 для охлаждения и термоэлементы 35 для нагрева стенок указанной емкости. Для сокращения тепловых потерь емкость 27 может быть снаружи изолирована слоем 36 термоизоляции.
Теплообменная емкость 37 для очистки воды методом перекристаллизации (пятый вариант) выполнена из термопроводного материала в виде вертикально ориентированного полого цилиндра 38 и имеет крышку 39. Емкость 37 снабжена вставкой 40, выполненной в виде цилиндра и расположенной внутри емкости 37 с зазором относительно ее стенок и днища 41 с образованием кольцевой щелевой полости 42. В днище 41 емкости 37 установлен сливной патрубок 43. На наружной цилиндрической поверхности емкости 37 расположены термоэлементы 44 для охлаждения и термоэлементы 45 нагрева стенок указанной емкости. Для сокращения тепловых потерь емкость 37 может быть снаружи изолирована слоем термоизоляции (на чертежах не показан). Кроме того, вставка 40 установлена в указанной емкости 37 на вертикальной стойке 46.
Аппарат для очистки воды методом перекристаллизации (фиг. 10) содержит теплообменную емкость 47 для очистки воды, средство 48 для замораживания воды с термоэлементом 49 охлаждения (испарительной трубкой), средство 50 для плавления льда с электронагревательным термоэлементом 51, узел 52 фильтрации и подачи воды в емкость 47 по трубопроводу 53, узел 54 для слива очищенной воды и концентрата загрязнений из емкости 47 и микропроцессорный пульт (МП) управления 55, соединенный с узлом 52 фильтрации и подачи воды в емкость 47 и через плату 56 управления со средствами 48 и 50 для замораживания воды и плавления льда и узлом 54 для слива чистой и загрязненной воды. Емкость 47 представляет собой один из пяти заявляемых вариантов конструкций емкостей 1 или 10, или 19, или 27, или 37, представленных соответственно на фиг. 1-9. Термоэлемент 49 охлаждения (испарительная трубка) средства 48 для замораживания воды и нагревательный термоэлемент 51 средства 50 для плавления льда расположены на внешней боковой поверхности емкости 47 (варианты 1, 4 и 5 ее выполнения), или на крышке емкости 47 (вариант 2 выполнения), или под днищем емкости 47 (вариант 3 выполнения).
МП управления 55 соединен с насосом 57 подачи воды на очистку узла 52 и электромагнитным клапаном 58 подачи воды в емкость 47, а через плату 56 управления - с электромагнитными клапанами 59 и 60 узла 53 для слива очищенной воды и концентрата загрязнений соответственно. Емкость 47 соединена трубопроводом 61 с электромагнитным клапаном 59 с термостатированной накопительной емкостью 62 для чистой талой воды.
Средство 48 для замораживания воды содержит компрессор и конденсатор, соединенные с термоэлементом 49 (испарительной трубкой с фреоном). Кроме того, плата 56 управления соединена с датчиком 63 температуры, установленным снаружи днища емкости 47.
Описание способа очистки воды.
Способ очистки воды методом перекристаллизации осуществляют посредством, например, аппарата, изображенного на фиг. 10. В теплообменную емкость 47 с плоской или кольцевой щелевой полостью объемом, например, 8 л, заливают 7 л водопроводной воды, которая приобретает форму плоского или кольцевого слоя. Все процессы: охлаждение, кристаллизация воды и таяние льда нагревом, - осуществляют снаружи рабочей емкости 47 посредством контактирующих с ее термопроводной стенкой (варианты 1, 4 и 5 конструкции теплообменной емкости 47), или термопроводной крышкой (вариант 2 конструкции теплообменной емкости 47), или термопроводным днищем (вариант 3 конструкции емкости 47) термоэлементов 49 охлаждения и термоэлементов 51 нагрева в автоматическом режиме посредством МП управления 55, платы 56 управления и алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды. При включении холодильного агрегата на режим охлаждения термоэлементов 49 (испарительной трубки) происходит охлаждение воды через термопроводные стенку (или ее крышку или днище) емкости 47. Температуру среды внутри теплообменной емкости 47 при охлаждении воды снижают до величины не ниже -(3-4)°C со скоростью изменения температуры среды в емкости 47 равной, например, интервалу значений 0,1-0,3°C/мин. Далее осуществляют процесс пристеночной кристаллизации воды. С помощью датчика температуры 63, прикрепленного к поверхности дна емкости 47 рассчитывается время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости 47 не менее чем на 0,5°C. Температуру воды внутри емкости 47 при кристаллизации воды снижают до величины не ниже -4,0°C (температура выше температуры кристаллизации жидкого концентрата с органическими и неорганическими примесями) со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости 47 равной, например, интервалу значений 0,05-0,1°C/мин. В течение времени (около 180 мин) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде плоского или кольцевого слоя пристеночного льда у стенки, или крышке, или днище емкости 47, где расположены термоэлементы 49 охлаждения и формирование жидкого концентрата (рассола) с органическими и неорганическими примесями (в зависимости от вариантов 1-5 конструкции емкости 47, фиг. 1-9). В течение нескольких минут жидкий концентрат примесей объемом от 1200 до 2200 мл сливают в канализацию при включении электроклапана 60. Оставшийся в емкости 47 лед подвергают плавлению путем отключения термоэлементов 49 охлаждения и включения термоэлементов 51 нагрева. Температуру стенки емкости 47, или ее крышки, или днища при таянии льда до полного его расплавления после слива концентрата примесей повышают до величины 10-15°C. Плав
ление массы льда осуществляют около 60 мин до полного его размораживания. Одновременно с началом плавлением льда проводят непрерывный или периодический (порционный через каждые 5-7 мин) слив талой воды в термостатированную потребительскую емкость 62 путем автоматического включения электроклапана 59. При этом талая вода практически не контактирует с нагретой стенкой цилиндра 8 емкости 1, за счет чего обеспечивается сохранение температуры талой воды как в емкости 1, так и в термостатируемой потребительской емкости 16 около 0-2°C, что более длительное время сохраняет ее биологически активные свойства.
Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 240 мин. Содержание чистой талой воды составляет не менее 66-80 об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2,5 раза.
Особенность способа очистки воды в теплообменной емкости 1 (вариант 1, фиг. 1-3) состоит в том, что ее стенки 2 и 3 и образуемая ими щелевая полость 4 ориентированы вертикально (расположены в вертикальной плоскости) или под некоторым углом наклона к указанной плоскости (фиг. 4), что позволяет в одном устройстве размещать компактно несколько таких емкостей 1 и формировать плоский вертикальный (или близкий к нему) слой воды для очистки. В процессе охлаждения стенки 2 емкости 1 до температуры -(3-4)°C за счет контакта с термоэлементами 7, прилегающими к указанной стенке 2, слой воды быстро охлаждается (в течение 3-5 мин) и формируется плоский вертикальный фронт кристаллизации воды. Вода в узкой щелевой полости 4 не перемешивается в объеме из-за существенного снижения конвективных потоков, вследствие чего быстрее формируется слой льда на стенке 2. Узел 9 (фиг. 4) позволяет наклонять стенки 2 и 3 емкости 1 на 6-9° относительно вертикальной плоскости, что обеспечивает лучший контакт с внутренней поверхностью стенки 2 плоского слоя льда в процессе его плавления при передаче тепла от термоэлементов 8, что сокращает время получения очищенной талой воды.
Особенностью способа очистки воды в теплообменной емкости 10 (вариант 2, фиг. 5) состоит в том, что в указанной емкости 10 горизонтальный плоский слой воды формируется в щелевой полости 14 между поверхностями крышки 12 и днища 13, а охлаждение и замораживание воды производится сверху вниз при охлаждении крышки 12 термоэлементами 16. При этом формируется плоский горизонтальный фронт кристаллизации, направленный сверху вниз в том же направлении, что и сила гравитации, способствующая осаждению частиц примесей, вследствие чего качество очистки воды от примесей повышается по сравнению с другими вариантами заявляемого способа. После слива в канализацию жидкого концентрата примесей из емкости 10 через патрубок 15 плоский слой льда плавят под действием тепла вначале от термоэлементов 17, расположенных на крышке 12, а после оседания слоя льда на днище 13 плавление его осуществляют под действием термоэлементов 18.
Особенность способа очистки воды в теплообменной емкости 19 (вариант 3, фиг. 6) состоит в том, что в указанной емкости 19 плоский слой воды формируется в щелевой полости 23 между поверхностями крышки 21 и наклонного днища 22. Охлаждение и замораживание воды производится снизу при охлаждении верхней части наклонного к горизонту днища 22 емкости 19 термоэлементами 24. При этом формируется плоский фронт кристаллизации под углом к горизонту, направленный снизу вверх. В процессе кристаллизации жидкий концентрат примесей формируется вверху и в нижней части наклонного днища 22. После слива в канализацию жидкого концентрата примесей из емкости 19 через патрубок 26 плоский слой льда, намороженный в верхней части днища 22, плавят под действием тепла от термоэлементов 25, расположенных под днищем 22.
Особенность способа очистки воды в теплообменной емкости 27 (вариант 4, фиг. 7) состоит в том, что в указанной емкости 27 кольцевой слой воды формируется в щелевой полости 32, образованной между стенками полого конуса 28 и расположенной в нем конической вставкой 30. В процессе охлаждения стенки полого конуса 28 емкости 27 до температуры -(3-4)°C за счет контакта с термоэлементами 34, прилегающими к наружной поверхности стенки указанного конуса 28, слой воды быстро охлаждается (в течение 3-5 мин) и формируется кольцевой фронт кристаллизации воды, направленный в сторону конической вставки 30. Вода в узкой кольцевой щелевой полости 32 не перемешивается в объеме из-за существенного снижения конвективных потоков, вследствие чего быстрее формируется слой льда на внутренней поверхности стенки полого конуса 28. После слива жидкого концентрата примесей через патрубок 33 кольцевой слой льда плавят за счет контакта стенки полого конуса 28 с нагревательным термоэлементом 35. Расположение полого конуса 28 раструбом вверх позволяет плотно контактировать кольцевому слою льда на протяжении всего процесса его плавления.
Особенность способа очистки воды в теплообменной емкости 37 (вариант 5, фиг. 8, 9) состоит в том, что в указанной емкости 37 кольцевой слой воды формируется в щелевой полости 42, образованной между стенками полого цилиндра 38 и расположенной в нем цилиндрической вставкой 40. В процессе охлаждения стенки полого цилиндра 38 емкости 37 до температуры -(3-4)°C за счет контакта с термоэлементами 44, прилегающими к наружной поверхности стенки указанного цилиндра 38, слой воды быстро охлаждается (в течение 3-5 мин) и формируется кольцевой фронт кристаллизации воды, направленный в сторону цилиндрической вставки 40. Вода в узкой кольцевой щелевой полости 42 не перемешивается в объеме из-за существенного снижения конвективных потоков, вследствие чего быстрее формируется слой льда на внутренней поверхности стенки полого цилиндра 38. После слива жидкого концентрата
примесей через патрубок 43 кольцевой слой льда плавят за счет контакта стенки полого конуса 38 с нагревательным термоэлементом 45.
Аппарат для очистки воды методом перекристаллизации работает следующим образом.
Включают микропроцессорный пульт управления 55, с которого запускают насос 57 для подачи воды на очистку. Вода поступает по трубопроводу 53 в узел 52 фильтрации, очищается от механических примесей и при включении электроклапана 58 заполняет теплообменную емкость 47. Автоматически МП управления 55 включает через плату 56 холодильный компрессор узла 48. Происходит постепенное охлаждение воды в емкости 47 через ее термопроводную стенку (фиг. 1-4, 7-9), или крышку (фиг. 5), или днище (фиг. 6) с последующей ее заморозкой. Процесс заморозки с образованием чистого пристеночного льда длится около 2 ч и контролируется датчиком 63 температуры, данные с которого поступают плату 56 на МП управления 55. После окончания формирования чистого пристеночного слоя льда плата 56 управления включает электромагнитный клапан 60 и незамерзший жидкий концентрат с примесями, т.е. вода с высоким содержанием солей (рассол) сливается в канализацию. Далее плата 56 управления отключает средство 48 охлаждения и включает средство 50 нагрева для плавления льда, термоэлемент 51 которого нагревается до температуры около 15°C, что соответствует природным условиям. При этом происходит плавление чистого льда. С началом плавления слоя льда плата 56 управления включает электромагнитный клапан 59 и талая вода в непрерывном режиме сливается в термостатированную накопительную емкость 62. Электромагнитный клапан 59 может включаться периодически через каждые 5-7 мин, и талая вода порционно поступает в емкость 62. При этом талая вода практически не контактирует с нагретыми стенками емкости 47, за счет чего обеспечивается сохранение температуры талой воды как в емкости 47, так и в термостатированной накопительной емкости 62.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ очистки воды методом перекристаллизации, включающий заполнение теплообменной емкости водой для очистки; охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи теплообменной емкости посредством контактирующих с ее термопроводными стенками термоэлементов для их охлаждения и нагрева, отличающийся тем, что воду перед очисткой формируют в виде плоского или замкнутого в кольцо слоя путем заполнения водой теплообменной емкости, внутренний объем которой выполнен в виде плоской или замкнутой в кольцо щелевой полости, а плавление льда под действием положительной температуры и слив талой воды осуществляют одновременно, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при температуре плавления льда.
2. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, отличающаяся тем, что снабжена узлом для наклона емкости для очистки воды под углом к вертикальной плоскости и включает две плоскопараллельные вертикально ориентированные боковые стенки, между которыми имеется зазор для образования плоской щелевой полости.
3. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева емкости, отличающаяся тем, что выполнена в виде кюветы с крышкой, между днищем и крышкой которой образована плоская щелевая полость, причем днище кюветы расположено под углом к горизонтальной плоскости, под которым на части его поверхности размещены термоэлементы охлаждения и нагрева стенок днища, а сливной патрубок расположен у нижнего края днища, свободного от термоэлементов.
4. Теплообменная емкость для очистки воды методом перекристаллизации для осуществления способа по п.1, выполненная из термопроводного материала и имеющая в днище сливной патрубок и расположенные на ее наружной поверхности термоэлементы для охлаждения и нагрева стенок емкости, отличающаяся тем, что выполнена в виде усеченного полого конуса, вертикально ориентированного раструбом вверх и имеющего крышку, причем емкость снабжена вставкой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной внутри емкости с зазором относительно ее стенок и днища с образованием кольцевой щелевой полости.
5. Теплообменная емкость по п.4, отличающаяся тем, что вставка прикреплена торцом к крышке емкости.
1.
1.
1.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025716
- 1 -
(19)
025716
- 1 -
(19)
025716
- 1 -
(19)
025716
- 4 -
025716
025716
- 10 -