Способ очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области очистки воды, а более конкретно - к способам и устройствам для очистки воды путем ее замораживания с использованием морозильных камер бытовых холодильников или естественного охлаждения. Способ включает охлаждение емкости с водой до температуры замораживания при отношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500, выдержку ее до получения за одну операцию изделия в виде слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25-50% от начального объема воды, слоя дейтериевого льда толщиной 0,5-4 мм по обеим торцевым поверхностям и остаточного рассола, извлечение емкости с изделием из морозильной камеры, выдержку в режиме оттаивания в течение времени, которое на 20-40% превышает время, необходимое для отделения изделия от емкости, извлечение изделия из емкости, удаление тонкого слоя льда по торцевым поверхностям, выливание остаточного рассола и размораживание чистого льда. Устройство включает емкость с крышкой и дном для размещения воды, причем емкость в вертикальном сечении имеет форму перевернутого усеченного конуса, на крышку нанесено термоизоляционное покрытие, а дно емкости опирается на съемный стакан с размещенным внутри него термоизоляционным покрытием. Высота емкости равна 0,2-5,0 максимального ее размера в плане. Толщина боковых стенок емкости 0,1-5,0 мм. В качестве термоизоляционного покрытия может быть использован пенопласт. Толщина термоизоляционного покрытия обеспечивает охлаждение воды при соотношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500. Способ и устройство обеспечивают получение чистой воды, в том числе и в бытовых условиях. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области техники для очистки воды, а более конкретно - к способам и устройствам для очистки воды путем ее замораживания с использованием морозильных камер бытовых холодильников или естественного охлаждения.

Известен способ промышленной очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления /1/. Устройство включает резервуар для размещения воды и технические средства для ее охлаждения (замораживания) и нагрева (размораживания).

Известен способ /2/ очистки питьевой воды в быту путем ее замораживания и устройство /3/ для его осуществления, которые приняты за прототип. Способ включает залив воды в емкость, первое размещение емкости в морозильной камере, охлаждение воды до образования на ее поверхностях дейтериевого слоя льда толщиной 1-3 мм, извлечение емкости из холодильной камеры и удаление слоя дейтериевого льда, вторичное размещение емкости в морозильной камере и выдержка до образования чистого слоя льда и не доведенной до замерзания неочищенной, химически загрязненной, воды (остаточного рассола), извлечение емкости из морозильной камеры и отделение чистого льда от остаточного рассола, размораживание чистого льда. В процессе вторичного замораживания исходная вода, содержащая примеси в виде растворенных солей, органических веществ и ядохимикатов, разделяется на пресный чистый лед и остаточный рассол, который сосредотачивается в центральной зоне замораживаемого первичного объема воды.

Известный способ очистки воды имеет следующие недостатки: - наличие двух отдельных стадий замораживания и двух отдельных стадий отделения льда от воды повышает трудоемкость ее очистки; - неудобное удаление дейтериевой (тяжелой) воды, связанное с извлечением емкости из морозильной камеры, переливанием незамерзшей воды в новую (временную) емкость, удалением образовавшегося слоя первого льда (толщиной 1-3 мм) на верхней поверхности воды, дне и у боковых стенок основной емкости, переливание воды из временной емкости в основную, установка ее в морозильную камеру; - используемое иногда на ранней стадии удаление слоя первого льда только с одной верхней поверхности, без переливания воды во временную емкость, увеличивает количество оставшейся дейтериевой воды в очищенной воде.

Учитывая эти недостатки, внешне "простой" способ очистки воды путем ее замораживания не получил распространения в бытовых условиях, хотя проблема получения "стакана чистой питьевой воды" крайне актуальна.

Известное устройство /3/ для очистки питьевой воды путем ее замораживания включает емкость (резервуар) для размещения воды, верхнюю крышку с выемкой для размещения слоя льда первичного замораживания, дно с выемкой для размещения воды и слоя льда вторичного замораживания, нагревательные элементы и запор, обеспечивающий прижим крышки и дна к резервуару, уплотнители между крышками и резервуаром.

Недостатки известного устройства для очистки воды в быту: сложность конструкции; недостаточное количество удаляемого дейтериевого льда, так как это предполагается делать только с одной верхней поверхности замораживаемой воды; трудность удаления дейтериевого льда даже только с одной верхней поверхности, так как процесс образования льда идет по всей внутренней поверхности емкости; трудность разделения чистого льда и остаточного рассола с помощью съемного дна с глубокой выемкой, так как процесс образования вторичного льда идет не сверху вниз, а по всей поверхности.

Изобретение направлено на снижение трудоемкости очистки питьевой воды путем ее замораживания, упрощение конструкции устройства, повышение его эффективности и удобства использования.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе очистки воды путем ее замораживания, включающем охлаждение емкости с водой до температуры замораживания, выдержку, разделение дейтериевого льда, чистого льда и остаточного рассола, размораживание чистого льда, охлаждение воды ведут при соотношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500, выдерживают ее до получения за одну операцию изделия в виде слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25-50% от начального объема воды, слоя дейтериевого льда толщиной 0,5-4,0 мм по обеим торцевым поверхностям и находящегося внутри изделия остаточного рассола, причем для удаления дейтериевого льда с боковых поверхностей изделия емкость с изделием после извлечения из морозильной камеры выдерживают в режиме оттаивания в течение времени, которое на 20-40% превышает время оттаивания, необходимое для отделения изделия от емкости, а для удаления дейтериевого льда, находящегося в торцевых поверхностях изделия, и остаточного рассола наносят легкие удары по обоим торцевым поверхностям изделия, удаляют их и выливают рассол.

Преимущественное охлаждение воды в емкости по боковым поверхностям при соотношении тепловых потоков в боковом и торцевом направлениях, равном 50-500, обеспечивает формирование за одну операцию изделия необходимого состава и конструкции, которая легко "разбирается" на составляющие: чистый лед, дейтериевый лед, остаточный рассол. Увеличение отношения тепловых потоков свыше 500 задерживает формирование тонкого слоя льда (0,5-4,0 мм) в торцевых поверхностях, а уменьшение отношения ниже 50 ускоряет его формирование до образования чистого слоя льда в объеме 25-50% от первоначального объема воды. Объем замораживания 25% характерен для более загрязненной воды, уменьшение его приведет к потере производительности, а объем замораживания 50% характерен для более чистой воды, увеличение его увеличит опасность попадания остаточного рассола в чистый лед. Для обычной водопроводной воды в городах этот показатель должен быть равен 35-40%, то есть из 500 г неочищенной воды приготавливается 175-200 г очищенной.

При извлечении емкости с изделием из морозильной камеры холодильника и выдержке при комнатной температуры (18-20^oC) время подтаивания льда и отделения изделия от стенок емкости не превышает 4-6 мин и в большинстве случаев достаточно для удаления дейтериевого льда с боковых поверхностей изделия. Увеличение времени выдержки до 40% гарантирует надежность этого процесса, превышение времени приводит к потере производительности и чистого льда. Уменьшение времени выдержки ниже 20% не гарантирует полное удаление дейтериевого льда с боковых поверхностей.

Сущность устройства для осуществления предлагаемого способа очистки воды путем ее замораживания заключается в том, что в известном устройстве, включающем емкость для размещения воды с крышкой и дном, емкость в вертикальном сечении имеет форму перевернутого усеченного конуса, причем на крышку нанесено термоизоляционное покрытие, а дно емкости опирается на съемный стакан с размешенным внутри него термоизоляционным покрытием.

Высота емкости равна 0,2-5,0 максимального ее размера в плане. Толщина боковых стенок емкости 0,1-5 мм. В качестве термоизоляционного покрытия может быть использован пенопласт. Толщину термоизоляционного покрытия подбирают исходя из обеспечения охлаждения воды при соотношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500.

Форма емкости в виде перевернутого усеченного конуса (в вертикальном сечении) облегчает извлечение ледяного изделия из емкости после окончания процесса замораживания. Возможность съема стакана с дна емкости ускоряет процесс оттаивания и отделения изделия от емкости после извлечения ее из морозильной камеры. Наличие теплоизоляционного покрытия заданной толщины со стороны крышки и дна емкости обеспечивает ее преимущественное охлаждение с боковых поверхностей и формирование за один процесс ледяного изделия необходимой конструкции: слой чистого льда по контуру боковых поверхностей (25-50% от начального объема воды), слой льда толщиной 0,5...4,0 мм в торцевых поверхностях и остаточный рассол внутри.

Соотношение высоты и максимального размера емкости (для размещения воды) в плане (например, диаметра), равное 0,2-5,0, учитывает весь диапазон размеров морозильных камер бытовых холодильников. Использование отношения меньше 0,2 приводит к существенному снижению количества чистого льда, а использование отношения больше 5,0 - к существенному снижению количества удаляемого дейтериевого льда в торцевых поверхностях. Высокие емкости могут быть использованы для случаев очистки воды без удаления дейтериевого льда. Наиболее же благоприятное соотношение высоты и максимального размера емкости находится в пределах 0,5-1,0. Толщина стенок емкости 0,1-5 мм учитывает диапазон эффективных толщин при использовании различных материалов. Уменьшение толщины стенок менее 0,1мм снижает прочность емкости, а увеличение свыше 5 мм приводит к увеличению материалоемкости конструкции и замедлению процесса охлаждения по боковым поверхностям. Использование в качестве термоизоляционного покрытия пенопласта, имеющего низкий коэффициент теплопроводности (0,043-0,058 Вт/м·град) и низкий удельный вес, снижает габариты и массу устройства.

На фиг. 1 изображена схема устройства для очистки воды путем ее замораживания, разрез.

Устройство включает корпус емкости с дном 1, верхнюю крышку 2 с термоизоляционным покрытием 3, съемный стакан 4 с термоизоляционным покрытием 5. Основание емкости и съемного стакана для придания им устойчивости при размещении на горизонтальной поверхности имеют выемки 6.

Устройство работает следующим образом. В емкость 1 заливают воду на 3-4 мм ниже дна верхней крышки 2 с термоизоляционным покрытием 3. Емкость закрывают крышкой, устанавливают в морозильную камеру холодильника, производят выдержку до образования изделия в виде чистого льда, дейтериевого льда и остаточного рассола, извлекают изделие из морозильной камеры, снимают стакан 4 с термоизоляционным покрытием 5, выдерживают емкость при комнатной температуре в режиме оттаивания до отделения изделия от стенок емкости и удаления дейтериевого льда с внешних боковых поверхностей изделия. Затем уже без использования устройства, разбивают и удаляют тонкий дейтериевый лед с торцевых поверхностей и выливают остаточный рассол, а чистый лед размораживают.

Пример 1. Изготовлена емкость диаметром 120 мм в верхней части, диаметром 100 мм в нижней части, высотой 65 мм, толщина стенок 0,2 мм, материал - экологически чистый пластик, толщина слоя термоизоляции крышки и съемного стакана 10 мм, материал - пенопласт. Параметры емкости обеспечивают соотношение тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях равное 150. Емкость была наполнена водопроводной водой в объеме 0,5 л, закрыта крышкой, установлена в морозильную камеру холодильника ОКА-6, выдержана при температуре -12^oC в течение 10 ч и изъята из него. Через 4 мин выдержки емкости при комнатной температуре +20^oC из нее было свободно извлечено изделие в виде цилиндрического кольца чистого льда высотой 50 мм и с толщиной стенок 20 мм, перекрытое по торцевым поверхностям льдом толщиной 1,5 мм и содержащее внутри неочищенную воду - остаточный рассол. Легкими ударами по торцевым поверхностям этот лед был разрушен и удален вместе с остаточным рассолом. При размораживании кольца чистого льда количество чистой воды составило 0,2 л. По своему составу она соответствовала чистой талой воде.

Пример 2. Изготовлена емкость диаметром 140 мм в верхней части, диаметром 130 мм в нижней части, высотой 130 мм, толщина стенок 0,4 мм, материал - экологически чистый пластик, толщина слоя термоизоляции крышки и съемного стакана-подставки 15 мм, материал - пенопласт. Параметры емкости обеспечивают соотношение тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях равные 180. Емкость была наполнена водопроводной водой в объеме 2 л, закрыта крышкой, установлена в морозильную камеру ОКА-6, выдержана при температуре -12^oC в течение 12 ч и изъята из него. Через 6 мин выдержки емкости при комнатной температуре 20^oC из нее было свободно извлечено изделие в виде цилиндра чистого льда высотой 130 мм, с толщиной стенок 25 мм и перекрытием по торцевым поверхностям льдом толщиной 2 мм. Внутри цилиндра находилась неочищенная вода - остаточный рассол. Легкими ударами по торцевым поверхностям этот лед был разрушен и удален вместе с остаточным рассолом. При размораживании цилиндра чистого льда количество очищенной воды составило 0,75 л. По своему составу она соответствовала чистой талой воде.

Использование предлагаемого способа и устройства для очистки воды путем ее замораживания обеспечивает по сравнению с известными способами и устройствами следующие преимущества: - возможность совмещения стадий первичного и вторичного замерзания льда; - возможность совмещения стадий удаления дейтериевого льда первичного замерзания и отделения чистого льда от остатков незамерзшей, химически загрязненной, воды; - надежное удаление дейтериевого льда из торцевых (при выламывании) и боковых (при кратковременной выдержке емкости на воздухе для оттаивания и извлечения из нее льда) поверхностей ледяного "изделия"; - надежное и легкое отделение чистого льда от остатков незамерзшей, химически загрязненной воды; - простота конструкции устройства и удобство его использования, что делает доступным получение "стакана" чистой воды в бытовых и других подобных условиях.

Источники информации.

1. Любарский В. М. Осадки природных вод и методы их обработки. М.: Стройиздат, 1980. с. 98-99, рис. 22.

2. Совет на всякий случай. М.:, газета "Рабочая трибуна", N 21 (321), 30.01.91.

3. Патент РФ, N 2058262. CI (Стахиев Ю.М., Прокофьев Г.Ф.) 20.04.96, C 02 F 1/22.

Формула изобретения

1. Способ очистки воды путем ее замораживания, включающий охлаждение емкости с водой до температуры замораживания, выдержку, разделение дейтериевого льда, чистого льда и остаточного рассола, размораживание чистого льда, отличающийся тем, что охлаждение воды ведут при соотношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50 - 500, выдерживают ее до получения за одну операцию изделия в виде слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25 - 50% от начального объема воды, слоя дейтериевого льда толщиной 0,5 - 4,0 мм по обеим торцевым поверхностям и находящегося внутри изделия остаточного рассола, причем для удаления дейтериевого льда с боковых поверхностей изделия емкость с изделием после извлечения из морозильной камеры выдерживают в режиме оттаивания в течение времени, которое на 20 - 40% превышает время оттаивания, необходимое для отделения изделия от емкости, а для удаления дейтериевого льда, находящегося в торцевых поверхностях изделия, и остаточного рассола наносят легкие удары по обеим торцевым поверхностям изделия, удаляют их и выливают рассол.

2. Устройство для очистки воды путем ее замораживания, включающее емкость для размещения воды с крышкой и дном, отличающееся тем, что емкость в вертикальном сечении имеет форму перевернутого усеченного конуса, причем на крышку нанесено термоизоляционное покрытие, а дно емкости опирается на съемный стакан с размещенным внутри него термоизоляционным покрытием.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что высота емкости равна 0,2 - 0,5 максимального ее размера в плане.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина боковых стенок емкости равна 0,1 - 5,0 мм.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве термоизоляционного покрытия использован пенопласт, а его толщину принимают исходя из обеспечения соотношения тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях охлаждаемой емкости с водой, равного 50 - 500.

РИСУНКИ

Рисунок 1