СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПНЫХ ВИДОВ ВОДЫ Российский патент 2011 года по МПК G01N33/18 G01N21/39 C02F1/22 

Изобретение относится к способам определения кристаллизации и образования льда тяжелых изотопных видов воды в природной, при ее равномерном охлаждении, и применяется в датчиках кристаллизации установок разделения легкой и тяжелых вод.

Известен «способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды» при равномерном, объемном охлаждении природной воды. Он состоит в определении образования льда легкой воды ¹Н₂ ¹⁶О, на поверхности плавающих электродов, погруженных в воду, и предназначенных для пропускания импульсного электрического тока через воду. Электроды подключены к устройству, которое вырабатывает импульсы и выдает сигнал после уменьшения электропроводности межэлектродного пространства, вызываемое образованием льда на поверхности электродов (1).

Использование известного способа в датчиках кристаллизации тяжелых изотопных видов воды сопровождается несколькими нежелательными явлениями.

Известно, что при пропускании постоянного электрического тока через воду происходит диссоциация и поляризация молекул воды, что приводит к постепенному увеличению ее удельного электрического сопротивления. При пропускании тока через воду в нее выделяется тепловая энергия, температурный градиент которой максимален в точках контакта электродов с водой. Это обстоятельство ухудшает условия образования льда на электродах. По этим причинам снижается точность определения времени завершения кристаллизации тяжелой воды, особенно в случае использования природной воды, подверженной сезонным колебаниям солевого состава. Кроме этого при пропускании электрического тока через воду, происходит электролиз воды и происходят электрохимические реакции (2). В быту изменение состава воды является непредсказуемым и нежелательным явлением при ее использовании в питье и пище. В части установок получения легкой воды, равномерность охлаждения воды по объему достигается аэрацией воздухом и озоновоздушной смесью, что оказывает влияние на точность определения времени завершения кристаллизации тяжелой воды. В таких установках независимо от мощности установки и объема обрабатываемой воды возможно случайное скапливание пузырьков воздуха на электродах датчиков кристаллизации и возможна кратковременная потеря контакта электродов с водой, что вызывает ложные сигналы. Если в промышленных установках за этим может следить обслуживающий персонал, то в бытовых установках снижается точность разделения легкой и тяжелой воды.

Предлагаемое изобретение направлено на исключение воздействия измерительных токов датчиков кристаллизации на обрабатываемую воду и повышение качества легкой воды, повышение надежности и снижение затрат на монтаж и обслуживание установок.

Предлагаемый способ исключает воздействие на обрабатываемую воду измерительных токов электродов датчиков кристаллизации тяжелой воды заменой способа определения с электрического на фото.

Опытом заявителя определено, что при равномерном, объемном охлаждении природной воды образовавшиеся кристаллы тяжелой воды всплывают к поверхности обрабатываемой воды и образуют рыхлую массу, объем которой постепенно увеличивается и количество зависит от концентрации тяжелой воды в природной воде. Оптические свойства воды зависят от концентрации и вида взвеси веществ содержащихся в ней. Образовавшиеся кристаллы тяжелой воды являются взвесью, и поэтому у незамерзшей природной воды и незамерзшей легкой воды с рыхлой массой кристаллов тяжелой воды оптические свойства различаются. Через незамерзшую природную воду луч лазера проходит имея нитевидную форму, без значительного рассеивания, с постепенным снижением яркости. При образовании на пути луча лазера рыхлой массы льда тяжелой воды, он теряет форму, рассеивается, образует светящийся объем кристаллов льда.

Суть предлагаемого изобретения состоит в регистрации изменений оптических свойств воды при ее равномерном охлаждении, и накапливании определенного объема рыхлой массы льда тяжелой воды. Для регистрации изменений оптических свойств охлаждаемой воды, через нее, на определенной высоте, пропускают луча лазера и регистрируют его и его рассеянное излучение двумя фотоэлементами.

Для пояснения предлагаемого способа приведен чертеж.

На чертеже изображена часть емкости кристаллизации 1, с налитой в нее водой 2. Изображено, что образование рыхлой массы льда тяжелой воды произошло, и кристаллы льда тяжелой воды 3 достигли оптической системы. Она состоит из стекла 4, лазера 5, фотоэлементов 6 и 7 и зеркала 8. Определение кристаллизации льда тяжелой воды происходит следующим образом.

Процессы охлаждения природной воды и кристаллизации тяжелой воды относительно медленные, их длительность зависит от интенсивности охлаждения, а при прохождении луча лазера через воду выделяется тепло, поэтому измерения оптических свойств воды проводятся кратковременно, импульсами. Через стекло 4 периодически проходит луч лазера 5, с длительностью импульсов до 1 секунды, а длительность интервала между импульсами от 30 до 200 секунд. Импульсы излучаются после начала кристаллизации тяжелой воды, в диапазоне температур между +4°C-0°C и до его завершения, с выдачей сигнала. Для устранения влияния пузырьков аэрирующего газа на прохождение луча лазера, перед моментом измерения, процесс аэрации воды озоновоздушной смесью останавливается под участком размещения оптической системы, или он полностью прекращается в малообъемных установках. При отсутствии кристаллов льда 3, на пути луча лазера 5, луч отражается зеркалом 8, попадает на фотоэлемент 7 и им регистрируется. Из-за направленности на фотоэлемент 7, луч лазера не попадает на фотоэлемент 6 и им не регистрируется. При образовании массы кристаллов льда тяжелой воды на пути луча лазера 5, луч рассеивается и фотоэлемент 7 не реагирует и не регистрирует импульсы лазера, а фотоэлемент 6 регистрирует рассеянный свет от лазерного луча. Таким образом, при накапливании определенного объема рыхлой массы льда тяжелой воды, изменяется реакция фотоэлементов 6 и 7 на луч лазера. Изменение реакции фотоэлементов является сигналом завершения процесса кристаллизации тяжелой воды. В малообъемных установках предлагаемый способ определения кристаллизации тяжелой воды возможен без стекла 4 и зеркала 8, при условии оптической прозрачности емкости кристаллизации 1, установке лазера и фотоэлементов на ее противоположных стенках и исключении влияния внешних источников света.

При использовании предлагаемого изобретения в установках получения легкой воды выполняется необходимая точность разделения легкой и тяжелых вод, а электролиз и изменения солевого состава воды отсутствуют. Причем, в отличие от прототипа, предлагаемый способ позволяет отфильтровать кристаллы преимущественно тяжелых видов тяжелой воды, а затем в другой емкости кристаллизации получить легкую воду. В отличие от прототипа, для сборки оптической системы применяются комплектующие устройства, выпускаемые промышленностью, массовым количеством, высокой степенью надежности и разными типами, аналоговых и цифровых, выходных сигналов. При использовании изобретения на промышленных предприятиях, значительно снижаются затраты на монтаж и обслуживание установок получения легкой воды и время их простоя, а в бытовых установках увеличивается надежность.

Источники информации

1. М.М.Муратов, Заявка RU №2008148782 на изобретение «Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды».

2. «Справочник по физике» Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, Москва, «Наука», 1980 г.

Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды при объемном, равномерном охлаждении природной воды и образовании льда тяжелой воды состоит в определении и регистрации изменения оптических свойств воды лучом лазера и двумя фотоэлементами. При этом фотоэлементы установлены с разницей по высоте и регистрируют луч лазера и его рассеянное излучение. Причем луч лазера импульсный, с длительностью импульсов до 1-й секунды, с периодом между импульсами 30-200 секунд. При этом измерения проводятся после снижения температуры обрабатываемой воды до +4°С. Перед каждым измерением, предварительно, за время всплытия пузырьков, проводится остановка процесса аэрации воды полностью или только на участке под лучом. Изобретение позволяет повысить качество воды и сохранить ее солевой состав. 1 ил.

Способ определения кристаллизации тяжелых изотопных видов воды при объемном равномерном охлаждении природной воды и образовании льда тяжелой воды, состоящий в определении и регистрации изменения оптических свойств воды лучом лазера и двумя фотоэлементами, установленными с разницей по высоте и регистрирующими луч лазера и его рассеянное излучение, причем луч лазера импульсный, с длительностью импульсов до 1-й секунды, с периодом между импульсами 30-200 с, при этом измерения проводятся после снижения температуры обрабатываемой воды до +4°С, и перед каждым измерением предварительно за время всплытия пузырьков проводится остановка процесса аэрации воды полностью или только на участке под лучом.