Установка для получения очищенной питьевой воды

 

Изобретение предназначено для комплексной очистки питьевой воды и повышения ее биологической ценности. Установка содержит теплоизолированную емкость с нагревателем, фильтр грубой очистки воды, соединенные между собой трубопроводом с регулирующим органом, теплоаккумулятор-регенератор, выполненный в виде теплообменного аппарата по меньшей мере с двумя теплообменными оребренными трубами, размещенными внутри кожуха, заполненного термоаккумулирующей теплопроводной жидкостью, блок замораживания воды, представляющий собой теплоизолированную емкость с входными и выходным патрубками, выполненную в виде трапеции с расширением кверху, боковые стенки которой снабжены снаружи змеевиком, подключенным к источнику холода, внутри - ребрами, на наружной поверхности нижней стенки емкости размещен нагреватель, а на ее внутренней поверхности установлено средство для улавливания вредной фракции воды, блок обратной минерализации очищенной воды и накопительную емкость. В результате взаиморасположения основных элементов установки достигается сокращение энергозатрат и эксплуатационных расходов и повышение качества очистки воды. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для активации воды безреактивными методами, в частности теплофизическими, и предназначено для комплексной очистки питьевой воды от тяжелой воды, примесей и растворенных в ней газов, в т. ч. и замораживанием, с повышением ее биологической ценности и придания ей свойств талой воды.

Известна установка для получения очищенной биологически активной целебной питьевой воды, содержащая корпус, внутри которого посредством трубопроводов последовательно соединены по ходу движения очищаемой воды фильтр грубой очистки, участок с постоянными магнитами и минерализатор. Обработанная в такой установке вода обладает повышенными биологическими свойствами, однако использование магнитного поля для обработки питьевой воды связано как с техническими трудностями, так и с непредсказуемостью эффекта воздействия магнитного поля на воду. Кроме того, ограниченный ресурс дорогостоящих фильтров не позволяет повысить производительность установки [патент Российской Федерации 2098358, кл. С 02 F 1/48, 1997, патент Украины 20169, кл. С 02 F 1/48, 1997].

Известна установка для приготовления дегазированной воды, содержащая емкость со средствами нагрева воды, соединенную трубопроводами с резервуаром, имеющим теплообменник, плавающую крышку с уплотнением, патрубки подвода недегазированной воды и отвода дегазированной воды [Зелепухин В.Д., Зелепухин И.Д. "Ключ к живой воде", г. Алма-Ата, Кайнар, 1987].

Недостатком метода активации воды в этой установке является быстрое, в течение нескольких часов, обратное окисление очищенной воды газами, находящимися в составе воздуха, что снижает качество очищенной воды.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является установка для очистки питьевой воды, содержащая две емкости, установленные одна над другой, и холодильный агрегат, включающий последовательно соединенные в циркуляционный контур испаритель, компрессор, конденсатор и регулирующий орган. Емкости соединены между собой линией, содержащей запорный элемент и фильтр, а испаритель размещен между емкостями, при этом верхняя часть испарителя выполнена в виде поверхности контакта с верхней емкостью, а нижняя - в виде тела, входящего в нижнюю емкость. Верхняя емкость снабжена нагревателем [патент Российской Федерации 2128144, кл. С 02 F 1/22, 1999].

В процессе работы известной установки верхняя емкость заполняется водой и посредством нагревателя подвергается дегазированию при температуре, близкой к температуре кипения. Первоначально охлаждение воды осуществляется с помощью холодильного агрегата, работающего в режиме теплового насоса. После некоторого понижения температуры воды с помощью регулирующего органа холодильный агрегат переводится в режим охлаждения, что ускоряет охлаждение воды в емкости и приводит к вымораживанию из нее тяжелой воды, часть которой в виде тонкого слоя льда вместе с обыкновенной водой осаждается на стенках емкости, а часть переходит в микрокристаллы, образующиеся в объеме охлаждаемой воды. Затем холодная вода переливается в захоложенную нижнюю емкость, при этом микрокристаллы тяжелой воды, находящиеся в объеме жидкости, задерживаются на фильтре и вместе с оттаявшей со стенок верхней емкости водой выводятся в канализацию.

Дегазированная, структурированная и очищенная от тяжелых составляющих вода вымораживается на центральном теле испарителя нижней емкости до появления в центральной части куска льда, а остатки воды, содержащие вредные органические примеси, ионы тяжелых металлов, нитраты, нитриты, соли и т.п., сливаются в канализацию.

Оттайка чистой воды, сконцентрированной в куске льда, производится за счет циркуляции теплого холодильного агента охлаждающего устройства, переведенного в режим теплового насоса.

Основным недостатком известной установки очистки воды являются большие энергозатраты, обусловленные конструктивным исполнением основного элемента установки в виде двух емкостей с размещенным между ними испарителем холодильного агрегата. Поскольку процесс очистки воды производится поэтапно, путем последовательно производимых определенных теплофизических воздействий, то полезно используется только часть испарителя. Например, если процесс очистки воды осуществляется в верхней емкости, то намораживание льда производится только на части испарителя, прилегающей к этой емкости, а холодная нижняя часть испарителя, заведенная во вторую емкость, не задействована, однако при этом воспринимает значительную часть теплопритоков из емкости и окружающей среды, что в конечном итоге приводит к увеличению нагрузки на холодильный агрегат.

Другим фактором, приводящим к снижению экономичности известной установки, является переключение холодильного агрегата на работу в режиме теплового насоса для охлаждения нагретой и оттайки замороженной воды. К тому же, использование одного и того же холодильного агрегата для различных режимов не позволяет оптимизировать его отдельные элементы по холодопроизводительности и потребляемой мощности, а на практике требует дополнительных байпасных линий для движения хладагента, регулирующих и переключающих устройств, что усложняет конструкцию, повышает эксплуатационные расходы и тем самым снижает экономичность известной установки.

Кроме того, необходимость в некоторых режимах работы установки извлекать и перемещать куски льда из нижней емкости для оттайки на воздухе приводит к усложнению конструкции за счет применения дополнительных узлов, обеспечивающих расстыковки элементов емкости и отсоединение от нее водяных трубопроводов. Оттайка льда в среде окружающего воздуха приводит к загрязнению очищаемой воды пылью, бактериями, спорами и другими микроорганизмами, находящимися в воздухе, что снижает ее качество.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известной установки для получения очищенной питьевой воды, в которой за счет введения в нее дополнительных элементов для регенерации тепла, потоков воды, изменения конструкции и взаиморасположения основных элементов достигается возможность осуществить безнапорный переток воды за счет гравитационных сил, проводить одновременно поочередно повторяющиеся процессы нагрева-кипячения и охлаждения-замораживания, что позволяет сократить энергозатраты и эксплуатационные расходы, повысить экономичность установки и качество очищенной воды.

Поставленная задача решается тем, что в установке для получения очищенной питьевой воды, содержащей теплоизолированную емкость с нагревателем, фильтр грубой очистки воды, сообщенные между собой трубопроводом с регулирующим органом, блок замораживания воды и источник холода, согласно изобретению она дополнительно снабжена теплоаккумулятором-регенератором, выполненным в виде теплообменного аппарата с по меньшей мере двумя оребренными трубами, размещенными внутри кожуха, заполненного термоаккумулирующей теплопроводной жидкостью, блоком обратной минерализации очищенной воды, представляющем собой емкость, заполненную насадкой из минералов, имеющую в нижней части распределительный патрубок, а в верхней - патрубок для отвода минерализованной воды, и накопительной емкостью очищенной минерализованной воды, блок замораживания воды представляет собой теплоизолированную емкость с входным и выходным патрубками, выполненную в виде трапеции с расширением кверху, боковые стенки которой снабжены снаружи змеевиком, подключенным к источнику холода, внутри - оребрением, на наружной поверхности нижней стенки емкости размещен нагреватель, а на ее внутренней поверхности установлено средство для улавливания вредной фракции очищаемой воды, при этом входной патрубок одной из оребренных труб теплоаккумулятора-регенератора сообщен с фильтром грубой очистки воды, а ее выходной патрубок посредством трубопровода сообщен с входным патрубком блока замораживания воды, входной патрубок другой оребренной трубы сообщен с выходным патрубком блока замораживания посредством трубопровода с регулирующим органом, а ее выходной патрубок сообщен посредством трубопровода с распределительным патрубком блока обратной минерализации воды.

Кроме того, задача решается тем, что патрубок отвода минерализованной воды блока обратной минерализации сообщен посредством трубопровода с накопительной емкостью очищенной минерализованной воды.

Кроме того, задача решается тем, что выходной патрубок одной из оребренных труб теплоаккумулятора-регенератора сообщен с накопительной емкостью посредством трубопровода с запорным вентилем.

Кроме того, задача решается тем, что емкость с нагревателем, теплоаккумулятор-регенератор, блок замораживания воды, блок обратной минерализации и накопительная емкость установлены по высоте с возможностью безнапорного перетока воды за счет гравитационных сил.

Кроме того, задача решается тем, что емкость с нагревателем, блок замораживания воды и накопительная емкость снабжены фильтрами очистки воздуха.

Кроме того, задача решается тем, что средство для улавливания вредной фракции воды выполнено в виде полусферы и поддона, сообщенных со сливным патрубком.

Снабжение установки для получения очищенной питьевой воды теплоаккумулятором-регенератором, выполненным в виде теплообменного аппарата, с по меньшей мере двумя оребренными трубами, размещенными внутри кожуха, заполненного теплопроводной жидкостью, позволяет обеспечить поочередный переток через оребренные трубы горячей воды после кипения в емкости с нагревателем и холодной - после оттаивания в блоке замораживания и тем самым улучшить теплообмен между очищаемой питьевой водой и термоаккумулирующей теплопроводной жидкостью, обеспечить регенерацию (охлаждение горячей воды, перетекающей из емкости с нагревателем в блок замораживания за счет оттаявшей после замораживания холодной воды), а следовательно, существенно сократить энергетические затраты, связанные с охлаждением и последующим замораживанием воды, и повысить экономичность установки.

Выполнение заявляемой установки в виде отдельных, сообщенных между собой блоков, дает возможность осуществлять одновременно поочередно повторяющиеся процессы нагрева-кипячения и охлаждения-замораживания воды, что позволяет сократить энергозатраты, время проведения процесса очистки воды и тем самым повысить экономичность установки.

Выполнение емкости блока замораживания в виде трапеции с расширением кверху и снабжение ее боковых стенок снаружи змеевиком, а внутри оребрением обеспечивает физические процессы термосепарации воды.

Выполнение средства для улавливания вредной фракции воды в виде полусферы и поддона, сообщенных со сливным патрубком, позволяет полностью уловить и удалить вредную фракцию воды, что способствует повышению качества очищенной (талой) воды.

Снабжение установки блоком обратной минерализации очищенной (талой) воды с насадкой из минералов позволяет восстановить утраченные при кипячении воды свойства, присущие естественно минеральной воде, что дает возможность повысить биологическую ценность очищенной воды и ее качество.

Сообщение одной из труб теплоаккумулятора-регенератора непосредственно с накопительной емкостью очищенной минерализованной воды позволяет использовать установку в упрощенном режиме работы для получения дегазированной кипяченой охлажденной воды, если не требуется дополнительная ее очистка методом вымораживания и придания ей свойств талой воды, что расширяет функциональные возможности установки.

Размещение емкости для нагрева воды, термоаккумулятора-регенератора, блока замораживания, блока обратной минерализации воды и накопительной емкости очищенной минерализованной воды по высоте с возможностью безнапорного перетока воды под действием гравитационных сил и соединение их в единую циркуляционную систему снижает энергозатраты и эксплуатационные расходы и повышает экономичность установки.

Выполнение теплоаккумулятора-регенератора в виде теплообменного аппарата с по меньшей мере двумя оребренными трубами, размещенными внутри кожуха, заполненного термоаккумулирующей теплопроводной жидкостью, обеспечивает поочередный переток горячей воды после кипения и холодной после оттайки в блоке замораживания, позволяет улучшить теплообмен между очищаемой водой и термоаккумулирующей жидкостью и обеспечивает регенерацию тепла потока воды, что приводит к сокращению энергозатрат, связанных с охлаждением и последующим замораживанием воды в блоке замораживания.

На чертеже схематически показана заявляемая установка.

Установка для получения очищенной питьевой воды содержит теплоизолированную емкость 1 с нагревателем 2, входным патрубком 3 и уровнемером 4, сообщенную с атмосферой посредством воронки 5, на которой закреплен фильтр 6 очистки воздуха, фильтр 7 грубой очистки воды, соединенный посредством трубопровода 8 и регулирующего органа 9 с выходным патрубком 3 емкости 1, блок 10 замораживания воды, представляющий собой теплоизолированную емкость 11 с патрубками 12 и 13 входа охлажденной воды и выхода очищенной (талой) воды соответственно и источник холода (на чертеже не показан). Теплоизолированная емкость 11 выполнена в виде трапеции с расширением кверху, боковые стенки которой снабжены снаружи змеевиком 14, концы трубок 15 которого подключены к источнику холода, внутри - оребрением 16. На наружной поверхности нижней стенки емкости 11 размещен нагреватель 17, а на ее внутренней поверхности установлено средство для улавливания вредной фракции очищаемой воды, выполненное в виде полусферы 18 и поддона 19, сообщенных со сливным патрубком 20 с запорным вентилем 21. Емкость 11 сообщена с атмосферой посредством воронки 22 и фильтра 23 очистки воздуха и должна быть выполнена из экологически чистого материала, способного выдержать циклические изменения температуры порядка +50^oС - -30^oС и не разрушаться при фазном переходе воды.

Установка также снабжена теплоаккумулятором-регенератором 24, размещенным между емкостью 1 и блоком 10 замораживания воды, выполненным в виде теплообменного аппарата с по меньшей мере двумя оребренными трубами 25 и 26, размещенными внутри кожуха 27, заполненного термоаккумулирующей теплопроводной жидкостью, блоком 28 обратной минерализации очищенной воды, представляющим собой емкость, заполненную насадкой 29 из минералов, и имеющую в нижней части распределительный патрубок 30, а в верхней - патрубок 31 для сбора и отвода минерализованной воды, и накопительной емкостью 32 для сбора очищенной минерализованной воды, на верхней стенке которой размещен фильтр 33 очистки воздуха. Входной патрубок 34 одной из труб 25 теплоаккумулятора-регенератора 24 cообщен через фильтр 7 грубой очистки воды, трубопровод 8 и регулирующий орган 9 с входным патрубком 3 емкости 1, а ее выходной патрубок 35 посредством трубопровода 36 сообщен с выходным патрубком 12 блока 10 замораживания. Входной патрубок 37 другой трубы 26 теплоаккумулятора-регенератора 24 сообщен посредством трубопровода 38 и регулирующего органа 39 с выходным патрубком 13 блока 10 замораживания воды, а ее выходной патрубок 40 сообщен посредством трубопровода 41 с распределительным патрубком 30 блока 28 обратной минерализации воды. Патрубок 31 сбора и отвода минерализованной воды сообщен посредством трубопровода 42 с накопительной емкостью 32.

При необходимости, например, для очистки питьевой воды без замораживания, выходной патрубок 35 трубы 25 может быть сообщен через трубопровод 43 с запорным вентилем 44 непосредственно с накопительной емкостью 32.

Емкость 1, теплоаккумулятор-регенератор 24, блок 10 замораживания воды, блок 28 обратной минерализации воды и накопительная емкость 32 установлены по высоте с возможностью безнапорного (свободного) перетока воды за счет гравитационных сил из емкости 1 в блок 10 замораживания воды, а из блока 10 через теплоаккумулятор-регенератор 24 и блок 23 обратном минерализации воды в накопительную емкость 32 очищенной минерализованной воды.

Работает установка для получения очищенной питьевой воды следующим образом.

Перед началом работы все регулирующие органы и запорные вентиля находятся в положении "Закрыто".

Вода через воронку 5 при снятом фильтре 6 очистки воздуха заливается в емкость 1, уровень которой контролируется уровнемером 4. Включается нагреватель 2, и вода нагревается до кипения. Процесс кипения ведут в течение 1-2 минут, при этом осуществляется дегазация воды через воронку 5 и фильтр 6, после чего отключается нагреватель 2, открывается регулирующий орган 9 и вода из емкости 1, патрубок 3, трубопровод 8 проходит в фильтр 7 грубой очистки воды, где она очищается от механических примесей, ржавчины и т.п. и через входной патрубок 34 по оребренной трубе 25 перетекает в теплоаккумулятор-регенератор 24, в котором горячая вода предварительно охлаждается, подогревая при этом термоаккумулирующую теплопроводную жидкость. Через выходной патрубок 35 оребренной трубы 25 охлажденная вода по трубопроводу 36 перетекает в емкость 11 блока 10 замораживания воды. Для обеспечения свободного перетока воды из термоаккумулятора-регенератора 24 в блок 10 замораживания воды фильтр 23 очистки воздуха на воронке 22 должен быть открытым.

Затем по трубам 15 в змеевик 14 из источника холода подается хладоноситель, который охлаждает внешние и внутренние оребренные боковые стенки емкости 11. В процессе замораживания воды происходит перераспределение ее составляющих по объему, при этом тяжелые изотопы, содержащие дейтерий и тритий, начинают кристаллизоваться раньше, размещаясь на холодных поверхностях емкости 11, затем замерзает протиевая вода, а в центральной части объема замороженной жидкости концентрируется рассольная часть воды, которая замерзает при более низких температурах (от -5^oС до -7^oС), чем протиевая вода.

После полного замораживания воды прекращается подача хладоносителя и начинается процесс медленного таяния льда, для чего включается нагреватель 17, контактирующий со стенками емкости 11. Процесс таяния льда начинается с периферийной части, находящейся вблизи нагреваемых стенок емкости 11. Вода, содержащая тяжелые изотопы, стекает в поддон 19 и после оттаивания 2,0-3,0 мм льда от стенок и ребер 16 открывается вентиль 21 и эта часть грязной воды сливается через патрубок 20. После слива из поддона 19 грязной воды, содержащей тяжелые изотопы, вентиль 21 закрывается и процесс оттаивания льда продолжается до момента, когда в чистой протиевой воде образуется мутноватый ком рассольной части льда, составляющей приблизительно 8-10% объема всей замороженной воды, после чего отключается нагреватель 17 и открывается регулирующий орган 39 и вода со свойствами талой воды через патрубок 13 по трубопроводу 38 перетекает в оребренную трубу 26 теплоаккумулятора-регенератора 24, при этом она подогревается, охлаждая термоаккумулирующую теплопроводную жидкость, и через патрубок 40 по трубопроводу 41 перетекает в распределительный патрубок 30 блока 28 обратной минерализации воды, где она распадается на струи, равномерно протекающие снизу вверх по насадке 29 из твердых минералов и под их воздействием восстанавливает утраченные при кипячении свойства, присущие естественно минеральной воде. Очищенная минерализованная вода со свойствами талой воды через патрубок 31 по трубопроводу 42 перетекает в накопительную емкость 32, откуда подается потребителю.

Талая вода с температурой, близкой к 0^oС, поступая из блока 10 замораживания в теплоаккумулятор-регенератор 24, охлаждает термоаккумулирующую теплопроводную жидкость, что в дальнейшем используется, как описано выше, для охлаждения горячей воды, перетекающей из емкости 1 в блок 10 замораживания воды. Таким образом осуществляется регенерация тепла фазового перехода воды. При помощи регулирующих органов 9 и 39 обеспечивается оптимальная для теплообмена скорость перетекания воды.

По мере вытекания протиевой воды из емкости 11 нараставший ледяной ком рассольной части воды опускается вниз и попадает в полусферу 18. По окончании перетока протиевой воды в накопительную емкость 32 регулирующий орган 39 закрывается. Дальнейшая оттайка ледяного кома рассольной части воды происходит внутри полусферы 18. Для слива накопившейся в полусфере 18 грязной фракции жидкости открывается запорный вентиль 21 и вода через патрубок 20 сливается, после чего вентиль 21 закрывается и описанная выше последовательность операций повторяется.

Заявляемая установка может использоваться в упрощенном режиме для получения дегазированной кипяченой охлажденной воды, если не требуется дополнительная очистка воды методом замораживания и придания ей свойств талой воды, например при использовании достаточно чистой воды. Работа установки в этом режиме осуществляется следующим образом. Вода через воронку 5 при снятом фильтре 6 очистки воздуха и закрытом регулирующем органе 9 заливается в емкость 1 и подвергается нагреву и дегазации посредством нагревателя 2, после чего открываются регулирующий орган 9 и запорный вентиль 44 и вода перетекает через фильтр 7 грубой очистки в теплоаккумулятор-регенератор 24, в котором она охлаждается, проходя по оребренной трубе 25, и по трубопроводу 43 перетекает в накопительную емкость 32.

Таким образом, использование изобретения дает возможность повысить эффективность очистки воды, усовершенствовать процесс ее получения, повысить биологическую ценность, удаляя из нее вредные примеси, включая тяжелую воду, концентрация которой в обычной водопроводной воде может достигать 0,015 атомных %, а также защитить очищенную воду от загрязнения при контакте ее с воздухом.

Формула изобретения

1. Установка для получения очищенной питьевой воды, содержащая теплоизолированную емкость с нагревателем, фильтр грубой очистки воды, сообщенные между собой трубопроводом с регулирующим органом, блок замораживания воды и источник холода, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена теплоаккумулятором-регенератором, выполненным в виде теплообменного аппарата с, по меньшей мере, двумя оребренными трубами, размещенными внутри кожуха, заполненного термоаккумулирующей теплопроводной жидкостью, блоком обратной минерализации очищенной воды, представляющим собой емкость, заполненную насадкой из минералов, имеющую в нижней части распределительный патрубок, а в верхней - патрубок для отвода минерализированной воды, и накопительной емкостью очищенной минерализированной воды, блок замораживания воды представляет собой теплоизолированную емкость с входным и выходным патрубками, выполненную в виде трапеции с расширением кверху, боковые стенки которой снабжены снаружи змеевиком, подключенным к источнику холода, внутри - оребрением, на наружной поверхности нижней стенки емкости размещен нагреватель, а на ее внутренней поверхности установлено средство для улавливания вредной фракции очищаемой воды, при этом входной патрубок одной из труб теплоаккумулятора-регенератора сообщен с фильтром грубой очистки воды, а ее выходной патрубок сообщен посредством трубопровода с выходным патрубком блока замораживания, входной патрубок другой оребренной трубы сообщен с входным патрубком блока замораживания посредством трубопровода с регулирующим органом, а ее выходной патрубок сообщен посредством трубопровода с распределительным патрубком блока обратной минерализации очищенной воды.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубок отвода минерализованной воды блока обратной минерализации сообщен посредством трубопровода с накопительной емкостью очищенной минерализованной воды.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что входной патрубок одной из оребренных труб теплоаккумулятора-регенератора сообщен с накопительной емкостью посредством трубопровода с запорным вентилем.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость с нагревателем, теплоаккумулятор-регенератор, блок замораживания воды, блок обратной минерализации очищенной воды и накопительная емкость установлены по высоте с возможностью безнапорного перетока воды за счет гравитационных сил.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость с нагревателем, блок замораживания воды и накопительная емкость снабжены фильтрами очистки воздуха.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средство для улавливания вредной фракции воды выполнено в виде полусферы и поддона, сообщенных со сливным патрубком.

РИСУНКИ

Рисунок 1