АППАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2011 года по МПК C02F1/22 C02F1/18 

Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может быть использовано в бытовых условиях. Предлагаемое изобретение позволяет эффективно удалять растворенные в воде органические и неорганические вещества, кроме того, значительно снизить содержание в воде дейтерия - тяжелого изотопа водорода. При этом используется принцип фазового разделения методом объемной кристаллизации путем замораживания в замкнутом объеме.

Вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Исследования показали, что за незатейливой химической формулой Н₂О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Известно, что природная вода представляет собой неоднородное вещество, смесь вод, образованных различными изотопами водорода и кислорода. Тяжелая вода (оксид дейтерия) - имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжелых изотопа водорода - атомы дейтерия. Формула тяжеловодородной воды обычно записывается как: D₂O или ²Н₂О. Внешне тяжелая вода выглядит как обычная - бесцветная жидкость без вкуса и запаха, а вот по своим физико-химическим свойствам и негативному воздействию на организм тяжелая вода сильно отличается от легкой воды. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что повышенная концентрация тяжелых изотопов водорода, так называемая тяжелая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды. (Тимаков А.А. «Основные эффекты легкой воды», 8-я Всероссийская научная конференция по теме «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», 6-10 ноября 2003, г.Зеленогорск). Среди всех стабильных изотопов изотопные эффекты дейтерия на живые организмы самые высокие. Любая природная вода и напитки на ее основе, как известно, содержат до 15 мг/л тяжелой воды, которая по своим биологическим свойствам значительно отличается от обычной воды. Тяжелая вода высокой концентрации токсична для организма; химические реакции в ее среде проходят медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. В то же время, человеку с незапамятных времен известны удивительные свойства талой воды. Давно замечено, что вблизи тающих родников растительность альпийских лугов всегда пышнее, а у кромки тающего льда в арктических морях бурно цветет жизнь. Полив талой водой повышает урожайность сельскохозяйственных культур, ускоряет прорастание семян. При употреблении талой воды устойчиво повышаются привесы в животноводстве. Уникальное свойство талой воды способствует ее легкому усвоению организмом, она биологически активна. Она улучшает обмен веществ и усиливает кровообращение, снижает количество холестерина в крови и успокаивает боли в сердце, повышает адаптационные возможности организма и способствует продлению жизни. (Белянин B.C., Романова Е. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция, Журнал «Наука и жизнь», 2004, №10).

Выявленное многостороннее отрицательное воздействие тяжелой воды на живые организмы, вызывает необходимость удаления тяжелой воды из питьевой воды.

Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды, (патент РФ №2337883, МПК C02F 1/22, публ. 10.11.2007), содержащий 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, зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом, разделенные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда. Водоочиститель дополнительно снабжен приводным устройством перемещения стержня замороженной воды, смонтированным за морозильной камерой, а также размещенным по центру стержня замороженной воды разобщающим устройством, выполненным в виде трубы, которое имеет на входе кольцевую режущую часть в виде зубчатого венца, а на выходе - расширяющий профиль, который образует выходной патрубок для вытеснения рассола.

Однако данное устройство имеет большие габариты, вес и сложную конструкцию. Процесс получения талой воды длительный. Все эти недостатки не позволяют его использовать в бытовых условиях для очистки воды. Известно термоэлектрическое устройство для непрерывного получения пресной воды методом вымораживания по заявке РФ №2006103183 МПК C02F 1/22, публ. 20.08.2007, содержащее вращающийся барабан и систему измерения его температуры. Барабан выполнен в виде пустотелого цилиндра, погруженного на одну четверть в емкость, в которую подается отфильтрованная морская вода, при этом внутри барабана на уровне погружения его в воду расположен охлаждающий теплообменник, температура которого задается термоэлектрической батареей. Тепло с горячих спаев батареи отводится с помощью тепловой трубы, в которой циркулирует теплоноситель, снимающий тепло с горячих спаев и конденсирующийся в нагревающем теплообменнике. Внешняя поверхность барабана с помощью ребер разделена на области, в которых происходит замерзание, а затем оттаивание воды. Блок образовавшегося льда высвобождается из области, образованной соседними ребрами кривошипно-шатунным механизмом, при этом морская вода и концентрированный рассол подаются в емкость и отводятся от нее соответственно через противоточный теплообменник.

Это приводит к усложнению конструкции, увеличению металлоемкости и как следствие - увеличению веса. Данная установка не может быть использована в бытовых условиях.

Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды в промышленных масштабах по патенту Франции №2858607, МПК C02F 1/22, публ. 11.02.2005, состоящий из системы подъема и удержания определенного объема морской воды и системы охлаждения, имеющей ряд элементов, расположенных в виде круга, для постепенного замораживания воды в блок кольцеобразной формы, который выталкивает рассол в направлении к центру. Устройство имеет систему подогрева с кольцевым нагревательным элементом для растапливания полученного льда и перехода воды из твердого состояния в жидкое, коллектор для сбора опресненной воды из растопленного льда.

Устройство предназначено для опреснения воды в промышленных масштабах, имеет большие габариты и вес, что делает невозможным его применение в быту.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату - прототипом, является аппарат для очистки воды по патенту Японии №5123668, МПК C02F 1/22, B01D 9/02, F25B 21/02, включающий емкость с крышкой и коническим днищем с отверстием для слива воды, термомодуль для замораживания и таяния льда, емкости для сбора талой воды и воды с растворенными примесями и повышенным содержанием дейтерия, блок управления термоэлектрическим модулем и системой слива воды. Трубопроводы подсоединены к сливному отверстию в коническом днище емкости для замораживания и таяния льда и выведены к соответственно к емкостям для сбора чистой талой воды и воды с растворенными примесями и повышенным содержанием дейтерия. Получение очищенной воды основано на принципе, заключающемся в том, что примеси не содержатся в кристаллах льда.

Однако этот аппарат предназначен для промышленной очистки морской воды, следовательно, имеет большие габариты и вес. Термоэлектрический элемент установлен на одной стороне боковой поверхности емкости, что увеличивает время замораживания воды, поскольку образовавшийся в начале процесса лед снижает эффективность дальнейшего его образования. Такое расположение термоэлектрического элемента не позволяет собирать воду, загрязненную примесями по центру емкости, что снижает качество очистки воды от примесей и дейтерия.

Задачей изобретения является создание аппарата для получения питьевой воды, очищенной от вредных и ядовитых примесей с пониженным в ней содержанием тяжелых изотопов водорода, имеющего высокую эффективность, компактность и возможность использования в бытовых условиях.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в сокращении времени процесса образования льда и таяния его, а также повышении эффективности отвода тепла от термоэлектрических элементов и повышении качества очистки воды.

Для достижения указанного технического результата в аппарате для очистки воды включающем рабочую емкость с коническим днищем с отверстием для слива воды, термоэлектрический модуль для замораживания воды и таяния льда, емкость для сбора очищенной воды и емкость для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, блок управления термоэлектрическим модулем и систему слива воды со сливными патрубками, каждый из которых установлен над емкостью для сбора очищенной воды и емкостью для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, согласно формуле изобретения внутреннее пространство рабочей емкости ограничено термоэлектрическим модулем, герметично соединенным с гидравлической распределительной панелью, являющейся днищем рабочей емкости, при этом термоэлектрический модуль содержит несколько термоэлектрических элементов, установленных в вакуумированной герметичной полости, образованной оребренными наружной и внутренней стенками термоэлектрического модуля, и расположенных на верхней его части, на которой расположена заливная горловина рабочей емкости, с установленным на нее вентилятором, а система слива включает гидравлическую распределительную панель, которая содержит клапан, по меньшей мере, два распределителя потока и фильтр тонкой очистки воды, соединенные между собой каналами.

Технический результат достигается, тем, что гидравлическая распределительная панель может быть изготовлена из материала с низкой теплопроводностью.

Аппарат снабжен блоком питания, электронным блоком управления, включающим блок управления клапанами и распределителями потока воды и соединенный с ними для управления сливом воды в каналах гидравлической распределительной панели, блоком измерения температуры, соединенным с датчиком температуры, установленным внутри рабочей емкости, и программным автоматом, подключенным к блоку управления термоэлектрическим модулем, блоку измерения температуры и блоку управления клапаном и распределителями потока и пульту управления с дисплеем.

Указанная совокупность признаков является существенной, не известной из уровня техники и обладает изобретательским уровнем так, как использование термоэлектрического модуля с днищем из гидравлической распределительной панели в качестве рабочей емкости и наличие ребер на внутренней и наружной стенках термоэлектрического модуля позволяет повысить эффективность работы термоэлектрических элементов и значительно сократить время получения талой воды. Вакуумирование полости между стенками термоэлектрического модуля усиливает теплоизоляцию, что в свою очередь повышает эффективность работы аппарата. Установка термоэлектрических элементов на верхней части способствует образованию льда как сверху, так и с боков рабочей емкости, а принцип конвекции жидкости усиливает эффект образования льда. Предложенное расположение термоэлементов позволяет равномерно по объему замораживать воду в блок кольцеобразной формы, выталкивать рассол в направлении центра рабочей емкости и равномерно таять лед. Концентрация рассола в центре емкости повышает качество очистки воды.

Наличие вентилятора, установленного в верхней части термоэлектрического модуля на заливной горловине, позволяет охлаждать равномерно и эффективно наружную оребренную стенку термоэлектрического модуля, выполняющую функцию радиатора, со всех сторон и избежать локального перегрева аппарата.

Использование гидравлической распределительной панели для слива воды в качестве дна рабочей емкости увеличивает теплоизоляцию нижней ее части, уменьшает габариты аппарата, а отсутствие шлангов и трубопроводов обеспечивает большую надежность и удобство обслуживания. Предложенная система слива обеспечивает кратчайший путь для слива рассола без попадания на фильтр тонкой очистки. Улавливание кристаллов тяжелой воды на фильтре тонкой очистки, с последующим удалением в емкость для воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, повышает качество очистки воды.

Вышеупомянутые цели и преимущества данного изобретения станут более очевидными путем подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображены:

На фиг.1 - общая схема аппарата для очистки воды,

на фиг.2 - гидравлическая схема распределительной панели аппарата для очистки воды.

Аппарат для очистки воды включает корпус 1, в котором размещен термоэлектрический модуль 2 для замораживания воды и таяния льда, который в свою очередь герметично соединен с гидравлической распределительной панелью 3, образует рабочую емкость 4. Гидравлическая распределительная панель 3, верхняя поверхность которой выполнена в виде конуса, является днищем рабочей емкости 4 с отверстием для слива воды 5. На наружной стенке 6 термоэлектрического модуля 2 выполнены ребра 7, а на внутренней стенке 8 ребра 9, обращенные внутрь рабочей емкости 4. Термоэлектрический модуль 2 содержит несколько термоэлектрических элементов 10, расположенных в вакуумированной герметично закрытой полости между наружной 6 и внутренней 8 стенками термоэлектрического модуля и установленных на верхней части термоэлектрического модуля 2. На верхней части термоэлектрического модуля 2 выполнена заливная горловина 11, на которой установлен вентилятор 12, приводимый во вращение электродвигателем 13. Заливная горловина 11 рабочей емкости 4 закрывается пробкой 14. В нижней части аппарата установлена емкость 15 для сбора талой очищенной воды и емкость 16 для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Гидравлическая распределительная панель 3 включает отверстие 5 для слива воды, клапан 17, перекрывающий отверстие для слива воды, распределители потока 18, 19, изменяющие направление потока воды в ходе технологического процесса слива воды. Распределитель потока 18 в зависимости от положения его золотника направляет поток воды или на слив в емкость 16 для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия или на фильтр тонкой очистки 20. В исходном положении распределитель потока 18 пропускает поток воды в емкость 16. Распределитель потока 19 направляет поток воды либо в емкость 16 для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, либо в емкость 15 для сбора талой очищенной воды. В исходном положении распределитель потока 19 пропускает поток воды в емкость 16.

Все элементы распределительной гидравлической панели 3 соединены каналами 21 и выполнены внутри корпуса гидравлической распределительной панели 3. Сливные патрубки 22 и 23 соединены с каналами 21 и установлены над емкостью 15 для сбора талой очищенной воды и емкостью 16 для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, соответственно.

Кроме того, в корпусе 1 размещен блок питания 24, электронный блок 25 управления, включающий блок 26 управления термоэлектрическим модулем соединенный с термоэлектрическими элементами 10, блок 27 управления распределителями потока 18, 19, клапаном 17 и соединенный с ними и блок 28 измерения температуры, соединенный с датчиком 29 температуры, установленного в рабочей емкости 4. Программный автомат 30 подключен к блоку 26 управления термоэлектрическим модулем, блоку 27 управления клапаном и распределителями потока и блоку 28 измерения температуры. К программному автомату 30 подключен пульт управления с дисплеем 31.

Аппарат для очистки воды работает следующим образом.

1. Аппарат подключают к сети, на дисплее 31 загорается лампочка «СЕТЬ».

2. Открывают крышку 14 и заливают 1,5-2 литра воды в рабочую емкость 4. Крышку 14 закрывают.

3. На пульте управления нажимают кнопку «ВКЛЮЧИТЬ». При нажатии этой кнопки подается напряжение к электронному блоку 25 управления аппаратом и происходит тестирование готовности аппарата к работе. При наличии неисправностей: наличии воды в емкости 16 для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия и наличия воды в емкости 15 для сбора талой очищенной воды или отсутствии воды в рабочей емкости 4 на дисплее 31 появляется соответствующая информация, в этом случае запуск аппарата невозможен.

4. При отсутствии отклонений указанных выше и высвечивании на дисплее 31 надписи «ГОТОВ», аппарат для очистки воды готов к работе.

В дальнейшем порядок и последовательность протекания процесса по очистке воды определяется соответствующей программой, заложенной в программный автомат 30, посредством выдачи соответствующих команд на электронный блок 25 управления. Информация о протекании процесса отслеживается блоком управления и отображается на дисплее 31 пульта управления.

5. На пульте управления с дисплеем 31 нажимают кнопку «НАЧАТЬ ПРОЦЕСС», блок 26 управления термоэлектрическим модулем включает термоэлектрические элементы 10 в режим охлаждения. Блок 28 измерения температуры включается электронным блоком 25 и отслеживает значения температур, поступающие с датчика температур 29. В рабочей емкости 4 начинается процесс льдообразования, происходит наращивание льда от верхней и боковых стенок рабочей емкости 4 к ее центру и подержание температуры в рабочей емкости 4 в пределах минус 4-5°С. Длительность данной части процесса составляет 2-2,4 часа. Отвод тепла, выделяемого в процессе режима работы термоэлектрических элементов 10, обеспечивается с помощью ребер 7, выполняющих функцию радиатора, обдуваемых вентилятором 12, приводимого в движение двигателем 13.

В процессе льдообразования растворенные в воде примеси ввиду того, что их растворы имеют более низкую температуру замерзания, концентрируются в воде и вытесняются нарастающим на внутренней стенке 8 с ребрами 9 рабочей емкости 4 льдом в объем, расположенный по ее центру. Таким образом, происходит образование «рассола» - концентрированного раствора солей в жидком состоянии в центральной области рабочей емкости 4. Температура замерзания «рассола» находится в пределах минус 6-7°С, а температура в рабочей емкости 4 поддерживается минус 4-5°С.

6. По окончании стадии льдообразования и образования «рассола» в центральной области рабочей емкости 4 программный автомат 30 выдает команду на блок 27 управления сливом воды, который открывает клапан 17 на 2-3 минуты. В течение этого времени происходит слив «рассола» через сливное отверстие 5 рабочей емкости 4, по каналам 21 через распределитель потока 18 и патрубок 23 в емкость 16. По окончании слива клапан 17 закрывается.

7. После слива «рассола», программный автомат 30 подает команду блоку 26 управления термоэлектрическим модулем на включение термоэлектрических элементов 10 в режим нагрева. В результате происходит повышение температуры льда и его таяние, образуется талая вода. Температуру полученной талой воды поддерживают в пределах плюс 1,5-2°С посредством включения термоэлектрических элементов 10 в режим термостата.

Находящаяся в составе талой воды тяжелая вода D₂O имеет температуру замерзания плюс 3,8°С и при поддержании температуры талой воды в пределах плюс 1,5-2°С тяжелая вода в ее составе будет находиться в виде мелких ледяных кристалликов. Это необходимо для ее удаления в дальнейшем путем фильтрации.

Процесс полного таяния льда и установления ее температуры во всем объеме в пределах плюс 1,5-2°С длится в течение 0,8-1,2 часа.

8. По окончании стадии получения в рабочей емкости 4 талой воды с ледяными кристалликами тяжелой воды на дисплее 31 пульта управления высвечивается надпись «ПРОЦЕСС ОКОНЧЕН» и в течение 10 секунд подается звуковой сигнал.

9. Слив талой воды производят нажатием кнопки «ТАЛАЯ ВОДА» или автоматически, по истечении 30 минут после окончания процесса. Нажимают кнопку «ТАЛАЯ ВОДА», программный автомат 30 подает команду на блок 27 управления сливом воды, который открывает клапан 17 и распределитель потока 18 направляет поток талой воды по каналам 21 на фильтрующий элемент 20 и далее через распределитель потока 19 в приемную емкость 16 в течение 10 секунд. В течение этого времени происходит промывка фильтрующего элемента 20 от остатков тяжелой воды D₂O, находящейся в жидком состоянии, отфильтрованной в предыдущем цикле получения талой воды. Талая вода, проходя через фильтрующий элемент 20, охлаждает его, кристаллики тяжелой воды перестают таять и отфильтровываются фильтром 20. Через 10 секунд программный автомат 30 подает команду на блок 27 управления сливом, распределитель потока 19 по каналам 21 направляет поток талой воды в емкость 15.

10. Блок 27 управления сливом воды закрывает клапан 17, блок 26 управления термоэлектрическим модулем 2 выключает термоэлектрические элементы 10, электронный блок управления выключает блок 28 измерения температуры и выключается сам.

11. Автоматический слив талой воды производится в том случае, если в течение 30 минут после оповещения, что процесс закончен, не осуществили слив талой воды. При активации слива талой воды в автоматическом режиме программный автомат 30 по истечении 30 минут после окончания процесса выдает команду блоку 27 на слив талой воды. Автоматический слив талой воды в приемную емкость 16 происходит после получения электронным блоком управления 25 сигнала с программного автомата 30. После этого блок 27 управления сливом открывает клапан 17, распределитель 18 направляет поток талой воды на фильтр 20, выполняется промывочный режим фильтра 20 и слив воды с повышенным содержанием дейтерия в емкость 16, после чего начинается слив талой воды и распределителем потока 19 талая вода направляется в емкость 15. Так как со временем талая вода теряет свои свойства, на дисплее 31 панели управления, по окончанию слива, отражается информация о времени слива талой воды для возможности оценки ее пригодности и происходит отключение системы управления аппаратом.

12. Нажимают кнопку «СЕТЬ» и выключают аппарат.

Новый запуск процесса возможен только вручную нажатием кнопки «ВКЛЮЧИТЬ»

Общее время протекания процесса получения талой воды составляет 2,8-3,6 часа.

Таким образом, предложенный аппарат для очистки воды сокращает время получения чистой талой воды по сравнению с известными аналогами, повышает качество очистки воды от растворенных в ней примесей и дейтерия, имеет небольшие габариты и вес, удобен в эксплуатации, так как весь процесс очистки воды автоматизирован.

Осуществление предлагаемого изобретения позволяет достичь заявленного технического результата, и предложенное техническое решение имеет широкий потребительский спрос и промышленное применение.

Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может быть использовано в бытовых условиях. Аппарат для очистки воды включает рабочую емкость 4 с коническим днищем с отверстием для слива воды 5, термоэлектрический модуль 2 для замораживания воды и таяния льда, емкость для сбора очищенной воды 15, емкость для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия 16, блок управления термоэлектрическим модулем 26 и систему слива воды со сливными патрубками. Внутреннее пространство рабочей емкости образовано термоэлектрическим модулем 22, герметично соединенным с гидравлической распределительной панелью 3, являющейся днищем рабочей емкости. Термоэлектрический модуль содержит несколько термоэлектрических элементов, установленных в вакуумированной герметичной полости, образованной оребренными наружной 6 и внутренней 8 стенками термоэлектрического модуля, расположенных на верхней его части. На верхней части термоэлектрического модуля находится заливная горловина 11, на которую установлен вентилятор 12. Гидравлическая распределительная панель содержит клапан, два распределителя потока и фильтр тонкой очистки воды, соединенные между собой каналами. Аппарат позволяет удалить растворенные в воде органические и неорганические вещества и значительно снизить содержание в воде дейтерия - тяжелого изотопа водорода. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Аппарат для очистки воды, включающий рабочую емкость с коническим днищем с отверстием для слива воды, термоэлектрический модуль для замораживания воды и таяния льда, емкость для сбора очищенной воды и емкость для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, блок управления термоэлектрическим модулем и систему слива воды со сливными патрубками, каждый из которых установлен над емкостью для сбора очищенной воды и емкостью для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, отличающийся тем, что внутреннее пространство рабочей емкости ограничено термоэлектрическим модулем, герметично соединенным с гидравлической распределительной панелью, являющейся днищем рабочей емкости, при этом термоэлектрический модуль содержит несколько термоэлектрических элементов, установленных в вакуумированной герметичной полости, образованной оребренными наружной и внутренней стенками термоэлектрического модуля, и расположенных на верхней его части, на которой находится заливная горловина рабочей емкости с установленным на нее вентилятором, а система слива включает гидравлическую распределительную панель, которая содержит клапан, по меньшей мере, два распределителя потока воды и фильтр тонкой очистки воды, соединенные между собой каналами.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что гидравлическая распределительная панель может быть изготовлена из материала с низкой теплопроводностью.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен блоком питания, электронным блоком управления, включающим блок управления клапанами и распределителями потока воды, соединенный с ними для управления сливом воды в каналах гидравлической распределительной панели, блоком измерения температуры, соединенным с датчиком температуры, установленным внутри рабочей емкости, и программным автоматом, подключенным к блоку управления термоэлектрическим модулем, блоку измерения температуры и блоку управления клапаном и распределителями потока и пульту управления с дисплеем.