Аппарат для очистки воды

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом кристаллизации и может быть использовано в быту и промышленности. Аппарат для очистки воды включает термостатированную теплообменную емкость для очистки воды, средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, средство для слива очищенной воды и средство для слива жидкого концентрата примесей, средство для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами 22 охлаждения и нагрева, электронный блок управления аппаратом. Аппарат для очистки воды дополнительно снабжен термостатированными теплообменными емкостями для очистки воды, термостатированной накопительной емкостью для чистой воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды. Каждая теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости. Изобретение позволяет повысить качество очистки воды и увеличить объем производства талой воды, сократить время ее приготовления, обеспечить возможность накопления талой воды и увеличить срок ее хранения. 5 з. п. ф-лы, 10 ил., 2 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к устройствам для очистки воды методом кристаллизации, 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 кристаллизации состоит в ее замораживании при температуре несколько ниже нуля градусов Цельсия (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 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).

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) устройства является аппарат для очистки воды (патент РФ №2393996, МПК C02F 1/22, опубл. 10.07.2010 г.), 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. 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 аппараты предназначены для приготовления чистой талой воды в небольших объемах (1-2 литра), которую необходимо сразу употреблять после приготовления, поскольку она теряет полезные свойства талой воды в течение нескольких часов. Кроме того, качество очищенной воды является недостаточной, а цикл очистки длителен - около 7-8 и более часов (чем больше объем очищаемой воды, тем продолжительнее цикл очистки воды).

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества очистки и увеличение объемов производства талой воды, сокращение сроков ее приготовления и обеспечение возможности накопления очищенной талой воды и увеличение срока ее хранения за счет снабжения отдельной термостатированной емкостью с обеспечением температуры внутри ее полости от 0 до +4°C.

Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для очистки воды, включающем 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, средство для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые расположены на наружной поверхности термопроводных стенок теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средством для замораживания воды и плавления льда, средством для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средством для слива очищенной воды и средством для слива жидкого концентрата примесей, согласно изобретению он снабжен дополнительными термостатированными теплообменными емкостями, на наружной поверхности термопроводных стенок которых расположены термоэлементы охлаждения и нагрева, средства для замораживания воды и плавления льда, термостатированной накопительной емкостью для чистой воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды, подключенными к термостатированной накопительной емкости; дополнительные теплообменные емкости соединены трубопроводами со средством для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, со средствами для слива очищенной воды и жидкого концентрата примесей; причем средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей соединено с термостатированной накопительной емкостью, а каждая теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости.

Причем на внешней поверхности днищ и одной из боковых стенок теплообменных емкостей могут быть дополнительно установлены термоэлементы нагрева средства для замораживания воды и плавления льда, а на наружной поверхности одной из термопроводных стенок термостатированной накопительной емкости для чистой воды расположены термоэлементы охлаждения средства для замораживания воды и плавления льда.

Средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода содержит датчики уровня воды, установленные в теплообменных емкостях и соединенные через электроклапаны с указанными теплообменными емкостями, гидронасос и узел фильтрации. Средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей содержит датчик уровня воды в накопительной емкости и трубопроводы с установленными в них электроклапанами. Средство для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор, соединенный трубопроводом через электроклапан с термостатированной накопительной емкостью. Средство для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей содержит бак для сбора жидкого концентрата примесей с датчиками уровня жидкости, соединенный трубопроводами через электроклапаны с соотвествующими теплообменными емкостями и через гидронасос и обратный электроклапан с канализацией. Средство для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном, соединенный с термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды и баком для сбора жидкого концентрата. Электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления, соединенный с электроклапанами и гидронасосом средства фильтрации и подачи исходной воды в теплообменные емкости: через первую плату управления - с дозатором очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату управления со средствами для замораживания воды и плавления льда, датчиками уровня воды в теплообменных и накопительной емкостях и датчиком уровня жидкости в баке для жидких отходов, электроклапанами и гидронасосом средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей и электроклапанами средства для слива очищенной воды из теплообменных емкостей в термостатированную накопительную емкость и средства подачи очищенной воды в тару потребителю.

Средство для замораживания воды и плавления льда выполнено в виде холодильного агрегата, а его термоэлементы охлаждения и нагрева представляют собой теплообменные трубки, изогнутые в виде плоской спирали и соединенные с контуром холодильного агрегата с возможностью пропускания через них охлажденного и/или нагретого теплоносителя.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами. На фиг. 1 и 2 представлены схемы (варианты выполнения) теплообменной емкости аппарата в разрезе с размещенными на поверхности ее стенок и днища термоэлементов охлаждения и нагрева. На фиг. 3, 4 и 5 приведена схема теплообменной емкости аппарата с термоэлементами охлаждения и нагрева - соотвественно вид спереди, сзади и со стороны днища. На фиг. 6 приведена схема аппарата для очистки воды с двумя теплообменными емкостями. На фиг. 7, 8 и 9 представлена гидравлическая схема средства для замораживания воды и плавления льда аппарата (первый вариант выполнения), соответственно в режимах замораживания воды и плавления льда в теплообменных емкостях и в режиме термостатирования и поддержания очищенной воды в охлажденном состоянии при температуре от 0 до +4°C. На фиг. 10 приведена гидравлическая схема средства для замораживания воды и плавления льда (второй вариант выполнения) с дополнительными термоэлементами нагрева на одной из боковых стенок теплообменных емкостей.

Устройство для очистки воды методом кристаллизации включает следующие узлы и детали. Несколько термостатированных теплообменных емкостей, например емкости 1 и 2 (фиг. 1-5) для очистки воды, каждая из которых выполнена из термопроводного материала в виде прямоугольного параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью 3, образованной между двумя противоположно расположенными стенками 4 и 5 указанной емкости. Термостатированные теплообменные емкости 1 и 2 соединены средством 6 для слива очищенной воды с термостатированной накопительной емкостью 7 для очищенной воды. Средство 6 для слива очищенной воды из теплообменных емкостей 1, 2 в накопительную емкость 7 содержит установленные в трубопроводах электроклапаны 8 и 9 и датчик 10 уровня воды в накопительной емкости 7. Средство 11 для фильтрации и подачи исходной воды на очистку в емкости 1 и 2 содержит датчики 12 и 13 уровня воды в указанных теплообменных емкостях 1 и 2, последовательно установленные первый электроклапан 14, гидронасос 15, узел фильтрации 16, второй и третий электроклапаны 17 и 18, соединенные трубопроводом 19 между собой, с теплообменными емкостями 1, 2 и с водопроводом 20 подачи исходной воды. Средство 21 для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами 22 охлаждения и нагрева, которые контактируют с наружной стороны с термопроводными стенками 4, 5 и днищем 23 теплообменных емкостей 1 и 2. Средство 24 для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор 25, соединенный трубопроводом через электроклапан 26 с термостатированной накопительной емкостью 7. Средство 27 для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей 1 и 2 содержит бак 28 для сбора жидкого концентрата примесей с датчиком 29 уровня жидкости, соединенный трубопроводами через электроклапаны 30 и 31 с теплообменными емкостями 1 и 2 и через гидронасос 32 и обратный электроклапан 33 с канализацией 34. Средство 35 для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном 36, соединенный с термостатированной накопительной емкостью 7 для очищенной воды и баком 28 для сбора жидкого концентрата примесей.

Электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления 37 и соединенные с ней первый и второй платы 38, 39 управления. МП управления 37 соединен с электроклапанами 14, 17, 18 и гидронасосом 15 средства 11 фильтрации и подачи исходной воды в теплообменные емкости 1, 2, а через первую плату 38 управления с дозатором 25 подачи очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату 39 управления со средством 21 для замораживания воды и плавления льда, датчиками 12, 13 и 10 уровня воды в теплообменных и накопительной емкостях 1, 2, 7 соответственно и датчиком 29 уровня жидкости в баке 28 для сбора жидкого концентрата примесей, электроклапанами 30, 31, 33 и гидронасосом 32 средства 27 для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей 1, 2 и электроклапанами 8, 9, 26, 36 средства 6 для слива очищенной воды из теплообменных емкостей 1, 2 в накопительную емкость 7, средства 24 подачи очищенной воды в тару потребителю и средства 35 для слива неиспользованной очищенной воды.

На наружной поверхности одной из термопроводных стенок термостатированной накопительной емкости 7 для очищенной воды могут быть расположены термоэлементы 22 охлаждения средства 21 для замораживания воды и плавления льда.

Средство 21 для замораживания воды и плавления льда выполнено в виде холодильного агрегата, а его термоэлементы 22 охлаждения и нагрева представляют собой теплообменные трубки 40, 41, 42 и 43, изогнутые в виде плоской спирали и соединенные с холодильным агрегатом с возможностью пропускания через них охлажденного и/или нагретого теплоносителя. Теплообменные трубки 40 и 41 прикреплены соотвественно к противоположно расположенным боковым стенкам 4 и 5 емкостей 1 и 2 для прохождения через них теплоносителя как в охлажденном, так и в нагретом состоянии. В первом варианте выполнения на боковой стенке 4 емкостей 1 и 2 трубки 40 расположены в верхней части указанной стенки 4, занимая приблизительно 2/3 ее поверхности, для предотвращения перемерзания сливной трубки, расположенной в днище 23 у стенки 4 (фиг.1 и 2). Теплообменные трубки 42 прикреплены к днищам 23 емкостей 1 и 2 для прохождения через них теплоносителя только в горячем состоянии. Теплообменная трубка 43 прикреплена к наружной поверхности одной из термопроводных стенок термостатированной накопительной емкости 7 для прохождения через нее теплоносителя только в охлажденном состоянии.

Холодильный агрегат содержит контур 44 с установленными в нем компрессором 45, четырехходовым электроклапаном 46, конденсатором 47, обратным клапаном 48, фильтром-осушителем 49, узлом 50 контроля за теплоносителем со смотровым стеклом, электроклапаном 51 и теплообменными трубками 40-43 термоэлементов 22.

Теплообменные трубки 40-42 емкостей 1 и 2 соединены между собой трубопроводами соответственно через дроссели 52 и 53. Кроме того, теплообменные трубки 40 и 41 емкостей 1 и 2 дополнительно соединены между собой соответственно через обратные электроклапаны 54 и 55.

Причем с одной стороны линии трубопроводов А и Б с теплообменными трубками 40-42 соотвественно емкостей 1 и 2 подсоединены через общую линию В трубопровода и четырехходовой электроклапан 46 к компрессору 45, а с другой стороны - соответственно через дроссели 56 и 57 к электроклапану 51 контура 44. Один конец линии Г трубопровода с теплообменной трубкой 43 на стеноке накопительной емкости 7 подсоединен через четырехходовой электроклапан 46 к компрессору 45, а другой ее конец - соотвественно через дроссель 58 и электроклапан 59 к контуру 44 между электроклапаном 51 и узлом 50 контроля. Линии А и Б на участках между теплообменными трубками 40-42 и дросселями 56 и 57 соединены линией Д трубопроводов через обратный клапан 60 к контуру 44 на участке между обратным клапаном 48 и фильтром-осушителем 49. К контуру 44 подсоединена линия Е трубопровода с дросселем 61 параллельно обратному клапану 48, фильтру-осушителю 49 и узлу контроля 50.

Для ускорения и более равномерного плавления льда по объему на внешней поверхности в нижней части одной из боковых стенок, например стенки 4, теплообменных емкостей 1 и 2 дополнительно могут быть установлены термоэлементы 22 нагрева средства для замораживания воды и плавления льда (второй вариант), изготовленные в виде теплообменных трубок 62 и подсоединенные в контуре 44 холодильного агрегата последовательно теплообменным трубкам 42 на днищах емкостей 1 и 2 так, как показано на фиг. 2 и гидравлической схеме фиг. 10.

Описание работы аппарата для очистки воды методом перекристаллизации

Микропроцессорный пульт (МП) управления 37 и платы 38 и 39 управления в электронном блоке осуществляют следующий алгоритм работы по очистке воды (фиг. 5).

1. МП управления 37 открывает электроклапаны 14, 17 и 18, запускает гидронасос 15. Вода из водопровода фильтруется в узле 16 от механических примесей, обрабатывается ультрафиолетом и заполняет теплообменные емкости 1 и 2 на 3/4 их объема. Процесс заполнения емкостей 1 и 2 контролируется датчиками 12 и 13 уровня воды соотвественно.

2. Электроклапаны 17 и 18 закрываются.

3. Плата 39 управления включает датчики измерения температуры воды в емкостях 1 и 2 (на чертежах не показаны) и переключает контур 44 холодильного агрегата в режим «холод», т.е. охлаждения трубок 40 и 41, расположенных на стенках 4 и 5 теплообменных емкостей 1 и 2 (фиг. 6) для замораживания очищаемой воды в указанных емкостях.

4. Сжатый компрессором 45 теплоноситель в виде горячего пара с высоким давлением поступает через обесточенный 4-ходовой электроклапан 46 в конденсатор 47, где охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления. После конденсатора 47 жидкий хладагент под высоким давлением беспрепятственно проходит через обратный клапан 48, фильтр-осушитель 49, узел 50 контроля со смотровым стеклом и через включенный электроклапан 51 поступает в дроссели 56 и 57, где давление жидкого теплоносителя снижается. После дросселей 56 и 57 жидкий хладагент с низким давлением поступает в трубки 41 и 40 (через обратные клапаны 54 и 55) теплообменных емкостей 1 и 2, минуя трубки 42 благодаря дросселям 52 и 53. В трубках 41 и 40 закипает, испаряется и поглощает тепло, охлаждая и замораживая воду в теплообменных емкостях 1 и 2. Обратные электроклапаны 54 и 55 стоят по ходу движения хладагента и не оказывают препятствия в отличие от дросселей 52 и 53 с высокой потерей давления, благодаря чему хладагент не «заходит» в трубки 42 днищ 23 емкостей 1 и 2. После прохождения линий А, Б и В трубопроводов парообразный хладагент через 4-ходовой электроклапан 46 поступает в компрессор 45, где сжимается и подается на следующий цикл. Обратный электроклапан 60 препятствует пропусканию жидкого хладагента с высоким давлением в рабочие емкости, минуя дроссели 56 и 57. Дроссель 61 не участвует в работе, т.к. потеря давления в нем намного выше, чем в обратном клапане 48. Электроклапан 59 закрыт.

5. В емкостях 1 и 2 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации 0°C с формированием плоского фронта кристаллизации, далее процесс кристаллизации - образование чистого льда без примесей и охлаждение полученного льда до минус 4-5°C. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенок 4 и 5 к центру емкостей 1 и 2. В центральной части каждой емкости 1 и 2 образуется жидкий концентрат растворенных в воде примесей (соли металлов, органические загрязнения и т.д.), тем самым происходит образование «рассола» - вода с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного «рассола» составляет минус 6-7°C. Толщина слоя чистого льда на стенках 4 и 5 указанных емкостей составляет 1,5-2 см.

6. Плата 39 управления отключает термоэлементы 22 охлаждения и открывает электроклапаны 30 и 31. Происходит слив концентрата жидких примесей (рассола) из емкостей 1 и 2 по трубопроводам в бак 28 для сбора жидкого концентрата примесей в течение нескольких минут. Электроклапаны 30 и 31 отключаются.

7. Плата 39 управления переключает контур 44 холодильного агрегата в режим нагрева трубок 40, 41 и 42, расположенных на стенках 4 и 5 и днище 23 теплообменных емкостей 1 и 2 (фиг. 7) для оттаивания чистого льда и получения очищенной воды в указанных емкостях 1 и 2.

Сжатый компрессором 45 хладагент (теплоноситель) поступает через 4-ходовой электроклапан 46 в трубки 40-42 теплообменных емкостей 1 и 2, где отдает тепло внешним стенкам 4, 5 и днищу 23, тем самым хладагент охлаждается и конденсируется в виде жидкой фазы высокого давления. Обратные электроклапаны 54 и 55 препятствуют движению хладагента, благодаря чему хладагент движется через донные трубки 42 и дроссели 52 и 53 трубопроводов линии А и Б, нагревая стенки 4, 5 и днища 23 емкостей 1 и 2. После теплообменных емкостей 1 и 2 жидкий хладагент под высоким давлением беспрепятственно проходит через обратный клапан 60 линии Д, фильтр-осушитель 49, узел 50 контроля со смотровым стеклом поступает в дроссель 61 линии Е, где давление жидкого хладагента падает, и он поступает в конденсатор 47 (в этом режиме играет функцию испарителя), где хладагент кипит, испаряется и поглощает тепло из внешней среды. После конденсатора 47 парообразный хладагент с низким давлением поступает через 4-ходовой электроклапан 46 в компрессор 45, где сжимается, нагревается и подается на новый цикл работы. Обратный клапан 48 препятствует пропусканию жидкого хладагента с высоким давлением в конденсатор 47, минуя дроссель 61. Электроклапаны 51 и 59 закрыты.

В результате работы холодильного агрегата в режиме нагрева (фиг. 7) происходит повышение температуры чистого льда в емкостях 1 и 2 до температуры 0°C, при которой наступает плавление льда и получение очищенной талой воды. Температура стенок 4, 5 и днищ 23 емкостей 1 и 2 достигает +6-12°C вследствие чего лед полностью превращается в талую воду в течение 0,5-1 часа.

8. После таяния льда в емкостях 1 и 2 плата 39 управления открывает электроклапаны 8, 9 и чистая талая вода сливается из теплообменных емкостей 1 и 2 в термостатированную накопительную емкость 7.

9. Для длительного хранения талой воды (от 5 до 24 часов) в теплообменной емкости 7 холодильный агрегат может быть переключен в режим (фиг. 8) длительного термостатирования указанной емкости 7 и поддержания в ней температуры от 0 до +4°C.

Сжатый компрессором 45 хладагент (фиг. 8) поступает через обесточенный 4-ходовой электроклапан 46 в конденсатор 47, где охлаждается и конденсируется в виде жидкой фазы высокого давления. После конденсатора 47 жидкий хладагент под высоким давлением беспрепятственно проходит через обратный электроклапан 48, фильтр-осушитель 49, узел 50 контроля со смотровым стеклом и через включенный открытый электроклапан 59 поступает в дроссель 58 линии Г, где снижается давление жидкого хладагента. После дросселя 58 жидкий хладагент с низким давлением поступает в теплообменную трубку 43 теплообменной емкости 1, в которой он закипает, испаряется и поглощает тепло, поддерживая температуру емкости 7 от 0 до +4°C. После теплообменной трубки 43 парообразный хладагент движется по линии Г, минуя 4-ходовой электроклапан 46, по причине более низкой потери давления в прямом трубопроводе линии Г, поступает в компрессор 45, где сжимается и подается на новый цикл работы.

Обратный электроклапан 60 препятствует пропусканию жидкого хладагента с высоким давлением на линию Д всасывания через трубки 40-42 теплообменных емкостей 1 и 2. Дроссель 61 не участвует в работе, т.к. потеря давления в нем намного выше, чем в обратном электроклапане 48. Электроклапан 51 закрыт.

10. Режим плавления льда в теплообменных емкостях 1 и 2 в варианте выполнения аппарата с теплообменными трубками 62, расположенными в нижней части стенок 4 и 5 (фиг. 2), осуществляют следующим образом.

Плата 39 управления переключает контур 44 холодильного агрегата в режим нагрева трубок 40, 41, 42 и 62, расположенных на стенках 4 и 5 и днище 23 теплообменных емкостей 1 и 2 (фиг. 10) для оттаивания чистого льда и получения очищенной воды в указанных емкостях 1 и 2.

Сжатый компрессором 45 хладагент (теплоноситель) поступает через 4-ходовой электроклапан 46 в трубки 40-42 и 62 теплообменных емкостей 1 и 2, где более равномерно отдает тепло внешним стенкам 4, 5 и днищу 23, тем самым хладагент охлаждается и конденсируется в виде жидкой фазы высокого давления. Обратные электроклапаны 54 и 55 препятствуют движению хладагента, благодаря чему хладагент движется через теплообменные трубки 62, донные трубки 42 и дроссели 52 и 53 трубопроводов линии А и Б, нагревая стенки 4, 5 и днища 23 емкостей 1 и 2. После теплообменных емкостей 1 и 2 жидкий хладагент под высоким давлением беспрепятственно проходит через обратный электроклапан 60 линии Д, фильтр-осушитель 49, узел 50 контроля со смотровым стеклом поступает в дроссель 61 линии Е, где давление жидкого хладагента падает, и он поступает в конденсатор 47 (в этом режиме играет функцию испарителя), где хладагент кипит, испаряется и поглощает тепло из внешней среды. После конденсатора 47 парообразный хладагент с низким давлением поступает через 4-ходовой электроклапан 46 в компрессор 45, где сжимается, нагревается и подается на новый цикл работы. Обратный электроклапан 48 препятствует пропусканию жидкого хладагента с высоким давлением в конденсатор 47, минуя дроссель 61. Электроклапаны 51 и 59 закрыты.

В результате работы холодильного агрегата в режиме нагрева (фиг. 7) происходит повышение температуры чистого льда в емкостях 1 и 2 до температуры 0°C, при которой наступает плавление льда и получение очищенной талой воды. Температура стенок 4, 5 и днищ 23 емкостей 1 и 2 достигает 10-18°C, вследствие чего лед полностью превращается в талую воду в течение 30-45 минут.

Сокращение времени очистки воды обеспечивается за счет того, что в щелевой полости теплообменной емкости вода кристаллизуется в виде слоя льда небольшой толщины на боковых стенках 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 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 щелевым внутренним объемом может быть увеличена от 2 до 10 раз. В этой связи поглощение тепла в охлаждаемой воде может быть увеличена в несколько раз, вследствие чего сокращается время замораживания и очистки воды.

Удельный тепловой поток равен:

q=kΔT/L, Вт/м²,

где q - удельный тепловой поток; k - коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м·К); ΔТ - 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 чистота его и физико-химические характеристики снижаются (уменьшается pH и увеличивается окислительно-восстановительный потенциал - ОВП).

Термостатированная накопительная емкость позволяет более длительное время сохранять полезные биохимические свойства талой воды (высокий pH и низкий ОВП).

Ниже приведены экспериментальны данные для подтверждения технического результата в части «повышения качества очистки воды».

Пример 1. Для очистки водопроводной воды использовали аппарат по патенту РФ на изобретение №2393996. Рабочая емкость выполнена прямоугольной формы, соотношение ее высоты к длине и ширине составляет соответственно не менее 1,0 и не более 1,2 и имеет объем 2 литра. Объем очищаемой воды в рабочей емкости составляет 1,5 литра. Данные по очистке воды приведены в таблице 1. Цикл очистки составляет около 8 часов. С увеличением объема очищаемой воды увеличивается продолжительность цикла очистки воды.

Пример 2. Для очистки водопроводной воды использовали аппарат по заявке РФ на изобретение №2013150392/05 (заявленное техническое решение). Рабочая емкость выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с щелевой полостью, который имеет толщину 5 см, высоту 34 см, длину 65 см и объем 11 литров. Объем очищаемой воды в рабочей емкости составляет 10 литров. Данные по очистке воды приведены в таблице 2. Время полного цикла очистки воды равно 5 часам. Выход очищенной талой воды составляет 45,0-47,0%, а жидкий концентрат органических и неорганических отходов - 53,0-55,0%.

Сравнительный анализ параметров очистки воды, представленных в таблицах 1 и 2, показывает, что качество очистки воды в заявленном техническом решении значительно выше, чем в прототипе.

По данным биологических и медицинских исследований снижение ОВП воды положительно сказывается на организм лабораторных животных («Влияние жидкостей с различным окислительно-восстановительный потенциалом на органы желудочно-кишечного тракта», тема диссертации и автореферата по ВАК 14.03.06, кандидат медицинских наук Колесниченко, Павел Дмитриевич, Курск, 2012 г. http://www.dissercat.com/content/vliyanie-zhidkostei-s-razlichnym-okislitelno-vosstano-vitelnyi-potentsialom-na-organy-zheludo).

1. Аппарат для очистки воды, включающий 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 примесей, подключенные посредством трубопроводов к теплообменной емкости, средство для замораживания воды и плавления льда с термоэлементами охлаждения и нагрева, которые расположены на наружной поверхности термопроводных стенок теплообменной емкости, электронный блок управления аппаратом, соединенный со средством для замораживания воды и плавления льда, средством для фильтрации и подачи исходной воды на очистку, средством для слива очищенной воды и средством для слива жидкого концентрата примесей, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными термостатированными теплообменными емкостями, на наружной поверхности термопроводных стенок которых расположены термоэлементы охлаждения и нагрева средства для замораживания воды и плавления льда, термостатированной накопительной емкостью для чистой воды, средством для подачи очищенной воды в тару потребителю и средством для слива неиспользованной очищенной воды, подключенными к термостатированной накопительной емкости; дополнительные теплообменные емкости соединены трубопроводами со средством для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода, со средствами для слива очищенной воды и жидкого концентрата примесей; причем средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей соединено с термостатированной накопительной емкостью, а каждая теплообменная емкость для очистки воды выполнена в виде параллелепипеда с плоской щелевой внутренней полостью, образованной между двумя противоположно расположенными стенками указанной емкости.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на наружной поверхности одной из термопроводных стенок термостатированной накопительной емкости для чистой воды расположены термоэлементы охлаждения средства для замораживания воды и плавления льда.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что средство для фильтрации и подачи исходной воды на очистку из водопровода содержит датчики уровня воды, установленные в теплообменных емкостях и соединенные через электроклапаны с указанными теплообменными емкостями, гидронасос и узел фильтрации; средство для слива очищенной воды из теплообменных емкостей содержит датчик уровня воды в накопительной емкости и трубопроводы с установленными в них электроклапанами; средство для подачи очищенной воды в тару потребителю содержит дозатор, соединенный трубопроводом через электроклапан с термостатированной накопительной емкостью, средство для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей содержит бак для сбора жидкого концентрата примесей с датчиками уровня жидкости, соединенный трубопроводами через электроклапаны с соотвествующими теплообменными емкостями и через гидронасос и обратный электроклапан с канализацией, и средство для слива неиспользованной очищенной воды содержит трубопровод с электроклапаном, соединенный с термостатированной накопительной емкостью для очищенной воды и баком для сбора жидкого концентрата примесей, а электронный блок управления содержит микропроцессорный пульт (МП) управления, соединенный с электроклапанами и гидронасосом средства фильтрации и подачи исходной воды в теплообменные емкости, через первую плату управления - с дозатором очищенной воды в тару потребителю и через вторую плату управления со средствами для замораживания воды и плавления льда, датчиками уровня воды в теплообменных и накопительной емкостях и датчиком уровня жидкости в баке для сбора жидкого концентрата примесей, электроклапанами и гидронасосом средства для слива жидкого концентрата примесей из теплообменных емкостей и электроклапанами средства для слива очищенной воды из теплообменных емкостей в термостатированную накопительную емкость и средства подачи очищенной воды в тару потребителю.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности днищ теплообменных емкостей дополнительно установлены термоэлементы нагрева средства для замораживания воды и плавления льда.

5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности в нижней части одной из боковых стенок теплообменных емкостей дополнительно установлены термоэлементы нагрева средства для замораживания воды и плавления льда.

6. Аппарат по п. 1-5, отличающийся тем, что средство для замораживания воды и плавления льда выполнено в виде холодильного агрегата, а его термоэлементы охлаждения и нагрева представляют собой теплообменные трубки, изогнутые в виде плоской спирали и соединенные с контуром холодильного агрегата с возможностью пропускания через них охлажденного и/или нагретого теплоносителя.