СПОСОБ И КОМПЛЕКТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТАЛОЙ ВОДЫ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СОЛЕЙ Российский патент 2019 года по МПК C02F1/22 

Предлагаемый способ относится к области техники для очистки питьевой воды, в частности к способам получения талой воды путем замораживания питьевой воды с использованием морозильных камер холодильников или естественного охлаждения в условиях низких температур окружающего воздуха, дальнейшего отделения чистого льда от примесей и последующего его размораживания.

Теоретические физические основы способов, использующих очистку воды полным или частичным замораживанием с последующим размораживанием, приведены в литературе:

1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике, М.: 1972. 256 с.

Возможность очистки воды от солей и примесей обуславливается тем, что вода при превращении в лед вытесняет из образуемого льда жидкие растворы солей, нерастворимые примеси и взвеси в направлении движения фронта льдообразования.

Известен способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием - патент 2077160, заявка 94011389/26. Заявл. 01.04.94 г., опубл. 10.04.97 г. В этом патенте описан способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии, отличающийся тем, что замораживание льда ведут до 70-90% объема воды, таяние льда осуществляют при теплоизоляции его боковых и нижних поверхностей до образования 30-55% от объема льда талого стока с последующим его удалением. Оставшийся чистый лед плавят полностью и получают 15-60% чистой воды от первоначально взятого объема ее на опреснение.

Указанный способ дает невысокий выход чистой воды, требует дробления льда, контроля объема частичного замораживания и объема талого стока при размораживании.

Известен способ очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления - заявка 98108077/12, МПК C02F 1/22 от 24.04.1998.

Способ включает охлаждение емкости с водой до температуры замораживания при отношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500, выдержку ее до получения за одну операцию изделия в виде слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25-50% от начального объема воды, слоя дейтериевого льда толщиной 0,5-4 мм по обеим торцевым поверхностям и остаточного рассола, извлечение емкости с изделием из морозильной камеры, выдержку в режиме оттаивания в течение времени, которое на 20-40% превышает время, необходимое для отделения изделия от емкости, извлечение изделия из емкости, удаление тонкого слоя льда по торцевым поверхностям, выливание остаточного рассола и размораживание чистого льда.

Известный способ требует контроля объема замораживания, контроля времени отделения от емкости, вычисления и контроля времени выдержки оттаивания, необходимость разбивания и удаления слоев льда по обеим торцевым поверхностям, не затрагивая льда по контуру.

Задачей изобретения является получение талой воды с пониженным содержанием растворенных солей, устранение необходимости контроля за процессом замораживания и упрощение процессов отделения льда от примесей.

Это достигается тем, что в отличие от известного способа теплоизоляцией со дна и боковых стенок сосуда и применением теплопроводящей крышки замораживание льда в сосуде с водой происходит преимущественно по направлению сверху - вниз, при этом сила тяжести усиливает тенденцию к осаждению растворенных солей, нерастворимых примесей и взвесей, имеющих плотность более высокую, чем сама вода, и образующих остаточный рассол, постепенно смещающийся в область дна сосуда, где он в последнюю очередь полностью замерзает, затем в любое удобное время в условиях комнатной температуры снимают теплоизолирующий чехол и теплоизолирующий поддон и лед оттаивают пока крышка не отстанет ото льда, лед извлекают, перегружают в стакан с гибкими стенками и механически удаляют замороженный остаточный рассол, а оставшуюся основную часть льда споласкивают питьевой водой комнатной температуры, наливаемой в стакан сверху на основную часть льда, воду после споласкивания сливают в раковину, затем оставшийся лед в стакане с крышкой оттаивают для дальнейшего использования.

Замерзание происходит от верхних слоев к низшим, так как теплопроводность льда согласно [1], стр. 86, табл. 48 составляет 2,21 вт⋅м^-1⋅трад^-1, а теплопроводность воды при 0°С в соответствии с [1], стр. 87, табл. 51 составляет 0,551 вт⋅м^-1⋅трад^-1, то есть теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды и при нарастании толщины льда он гораздо лучше чем вода проводит тепло от нижних слоев по направлению к крышке, в то время как боковые стенки сосуда намного меньше отводят тепло от воды за счет внешней теплоизоляции сосуда.

Ополаскивание (10-25 с) не критично по времени, так как надо смыть тонкий слой льда, который уже несколько подтаял за время оттаивания до отлипания примерзшей крышки. При очень долгом споласкивании налитая вода комнатной температуры не успеет растворить слишком много льда, так как сама вода при споласкивании интенсивно охлаждается и перестает ускорять таяние льда.

Известен из заявки 98108077/12, МПК C02F 1/22 от 24.04.1998 - комплект для очистки воды путем ее замораживания, включающий емкость для размещения воды с крышкой и дном, отличающееся тем, что емкость в вертикальном сечении имеет форму перевернутого усеченного конуса, причем на крышку нанесено термоизоляционное покрытие, а дно емкости опирается на съемный стакан с размещенным внутри него термоизоляционным покрытием.

Сущность известного комплекта заключается в том, что в комплекте для очистки воды путем ее замораживания, включающем емкость для размещения воды с крышкой и дном, емкость в вертикальном сечении имеет форму перевернутого усеченного конуса, причем на крышку нанесено термоизоляционное покрытие, а дно емкости опирается на съемный стакан с размешенным внутри него термоизоляционным покрытием. Высота емкости равна 0,2-5,0 максимального ее размера в плане. Толщина боковых стенок емкости 0,1-5 мм. В качестве термоизоляционного покрытия может быть использован пенопласт. Толщину термоизоляционного покрытия подбирают исходя из обеспечения охлаждения воды при соотношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500. Форма емкости в виде перевернутого усеченного конуса (в вертикальном сечении) облегчает извлечение ледяного изделия из емкости после окончания процесса замораживания. Возможность съема стакана с дна емкости ускоряет процесс оттаивания и отделения изделия от емкости после извлечения ее из морозильной камеры. Наличие теплоизоляционного покрытия заданной толщины со стороны крышки и дна емкости обеспечивает ее преимущественное охлаждение с боковых поверхностей и формирование за один процесс ледяного изделия необходимой конструкции: слой чистого льда по контуру боковых поверхностей (25-50% от начального объема воды), слой льда толщиной 0,5…4,0 мм в торцевых поверхностях и остаточный рассол внутри.

Недостатками известного комплекта является необходимость контроля процесса замораживания до получения слоя чистого льда по контуру емкости определенного объема и одновременно слоев дейтериевого льда определенной толщины по торцевым поверхностям, необходимость контроля времени оттаивания, необходимость разбивания и удаления слоев льда по торцевым поверхностям, не затрагивая лед по контуру.

Задачей изобретения является устранение необходимости контроля за процессом замораживания, упрощение процессов отделения льда от примесей.

Это достигается тем, что в отличие от известного комплекта, включающего расширяющийся кверху сосуд для замораживания питьевой воды с крышкой и стакан, содержит теплоизолирующий поддон, установленный снаружи на дно сосуда, теплоизолирующий чехол, вмещающий сосуд с теплоизолирующим поддоном, гладкую гидрофобную, не всплывающую в воде пластину с перфорацией, ключ для отделения замороженного остаточного рассола по плоскости пластины с перфорацией, стакан для таяния льда с гибкими боковыми поверхностями, колпак для стакана, сосуд имеет горизонтальный кольцевой внутренний выступ, выполненный с возможностью отделения остаточного замороженного рассола от основного льда и фиксации положения положения пластины с перфорацией по высоте, внутренняя боковая поверхность сосуда выполнена шероховатой сверху и до кольцевого внутреннего выступа, дно сосуда имеет сегментную внутреннюю выпуклость, выполненную с возможностью частичной компенсации расширения воды при переходе воды из жидкого состояния в лед, крышка сосуда выполнена из теплопроводящего гидрофильного материала с шероховатой, обращенной к воде поверхностью и с отверстием в центре для калибровки уровня воды в сосуде, крышка, установлена на сосуд с водой с возможностью касания поверхности воды большей частью своей площади.

Сосуд имеет шероховатую внутреннюю боковую поверхность сверху и до кольцевого внутреннего выступа, по горизонтали разделяющего весь замороженный лед приблизительно на основной лед и остаточный замороженный рассол, а дно сосуда имеет сегментную внутреннюю выпуклость для частичной компенсации расширения воды при превращении ее в лед.

Гладкая гидрофобная перфорированная и не всплывающая в воде пластина значительно ослабляет сечение сцепления основного льда и замороженного остаточного рассола, но в то же время позволяет слабым конвективным потокам проходить через перфорированные отверстия, а осаждаемым солям и примесям достигать дна сосуда. Прикладывая к объему замороженного остаточного рассола сдвигающее вдоль пластины усилие, удар или крутящий момент, создаваемый с помощью ключа, можно сравнительно легко отделить замороженный остаточный рассол от основной массы льда.

Отделение замороженного остаточного рассола без использования перфорированной пластины можно производить с помощью ножа-пилы, гильотинного ножа, лобзика, миниатюрной вращающейся дисковой пилы или фрезы, с помощью кусачек, клещей и даже с помощью разогретой электрическим током нихромовой нити, проводя ею по плоскости, отделяющей замороженный остаточный рассол от основной массы льда.

На фиг. 1 представлен вертикальный разрез части заявляемого комплекта, готовой для внешнего замораживания, которая включает сосуд (1) для замораживания питьевой воды, теплопроводящую крышку (2), пластину с перфорацией (3), теплоизолирующий поддон (4), теплоизолирующий чехол (5). На фиг. 2 указан один из возможных вариантов перфорации пластины 3, ключ (6) для отделения замороженного остаточного рассола. На фиг. 4 указана остальная часть комплекта - стакан (7), выполненный с гибкими стенками и колпак (8) для стакана.

Сосуд 1 выполнен с шероховатой внутренней боковой поверхностью начиная сверху и до внутреннего кольцевого выступа, для улучшения возможного осаждения на охлаждаемые поверхности дейтериевого льда, указанного в описании работы известного комплекта, и с дном, имеющим сегментную внутреннюю выпуклость для частичной компенсации расширения воды при превращении ее в лед. Крышка 2 для сосуда изготовлена из теплопроводящего материала и выполнена с малым отверстием в центре диаметром не более 0,003 м, служащем для калибровки уровня воды в сосуде и с шероховатой поверхностью, касающейся воды большей частью своей площади,. Пластина 3 с перфорацией выполнена из тонкого гладкого гидрофобного материала, не всплывающего в воде.

Для удобства контроля состояния и облегчения правильной установки теплоизоляции на сосуд 1, она выполняется из двух частей: теплоизолирующего поддона 4 и теплоизолирующего чехла 5, выполненных из эластичного и не впитывающего влагу теплоизолирующего материала. Ключ 6 выполнен из нержавеющей стали с заточкой двух внутренних граней для погружения в остаточный замерзший рассол и создания крутящего момента по оси его торца при отделении от основного льда.

Комплект используются следующим образом.

В сосуд 1, с надетыми теплоизолирующим поддоном 4 и теплоизолирующим чехлом 5, с установленной пластиной 3 наливается вода до уровня, который от верхней кромки сосуда 1 отстоит примерно на половину высоты крышки 2, надевается на сосуд 1 крышка 2 и под действием собственного веса и за счет наличия центрального малого отверстия, предназначенного для калибровки уровня воды в сосуде, крышка 2 опускается до упора на стенки сосуда 1, после чего вода, появившаяся на верхней поверхности крышки 2 удаляется с помощью губки, тампона или резиновой груши с наконечником, и сосуд 1 в указанном сборе (фиг. 1) устанавливается в камеру морозильника до полной заморозки воды или на более долгое время.

В любое удобное время сосуд 1 в сборе по фиг. 1 извлекают из морозильной камеры в условия комнатной температуры, снимают теплоизолирующий чехол 5, снимают теплоизолирующий поддон 4, а остальное помещают примерно горизонтально на тарелку для первоначального оттаивания так, чтобы дно сосуда 1 было несколько выше верхней части сосуда 1, так как в случае оттаивания крышки 2 ото льда она под действием силы тяжести автоматически отвалится, после чего лед сосуда без крышки 2 перегружают узкой частью вверх в стакан 7 с гибкими стенками, как указано пунктирной линией на фиг. 4, лед сжиманием гибких стенок стакана 7 держащей рукой фиксируется внутри стакана 7, другой рукой замороженный остаточный рассол на верху узкой части льда скручивается ключом 6 или легким ударом отбивается по поверхности раздела пластины 3 и вместе с пластиной 3 удаляется.

Далее в стакан 7 на верхнюю часть оставшегося льда наливают питьевую воду комнатной температуры по высоте примерно от половины до двух третей высоты стакана 7, стакан 7 круговыми горизонтальными движениями взбалтывается, затем вся образовавшаяся вода сливается в раковину и далее оставшийся лед в стакане 7 накрывают колпаком 8 и оставляют таять при комнатной температуре для последующего использования.

Эффективность очистки питьевой воды от растворенных солей и нерастворимых примесей и взвесей составляет более 65%.

Для повторного применения устройств необходимо сосуд 1, крышку 2 и пластину 3 сушить или споласкивать чистой водой и сушить.

Группа изобретений может быть использована в водоочистке. Способ получения талой воды с пониженным содержанием солей включает внешнее замораживание питьевой воды в сосуде 1 с теплопроводящей крышкой 2. Сосуд 1 с питьевой водой, оснащенный теплопроводящей крышкой 2, касающейся поверхности воды большей частью своей площади, съемными нижним теплоизолирующим поддоном 4 и теплоизолирующим чехлом 5 ставят на мороз и замораживают воду до полного замерзания всего объема воды. В любое удобное время снимают теплоизолирующий чехол 5 и теплоизолирующий поддон 4 и в условиях комнатной температуры лед оттаивают, пока теплопроводящая крышка 2 не отстанет ото льда. Лед извлекают, перегружают в стакан 7 с гибкими стенками и механически удаляют замороженный остаточный рассол, образовавшийся в области дна сосуда 1. Оставшуюся основную часть льда споласкивают питьевой водой комнатной температуры. Затем оставшийся лед оттаивают для дальнейшего использования. Комплект получения талой воды с пониженным содержанием солей включает расширяющийся кверху сосуд 1 для замораживания питьевой воды с теплопроводящей крышкой 2, теплоизолирующий поддон 4, теплоизолирующий чехол 5, гладкую гидрофобную не всплывающую в воде пластину 3 с перфорацией, ключ 6 для отделения замороженного остаточного рассола по плоскости пластины 3 с перфорацией, стакан 7 с гибкими боковыми поверхностями для таяния льда, колпак 8 для стакана. Группа изобретений позволяет получить талую воду с пониженным содержанием растворенных солей, устранить необходимость контроля за процессом замораживания и упростить процесс отделения льда от примесей. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения талой воды с пониженным содержанием солей, включающий внешнее замораживание питьевой воды в сосуде с крышкой, отличающийся тем, что сосуд с питьевой водой, оснащенный теплопроводящей крышкой, касающейся поверхности воды большей частью своей площади, съемными нижним теплоизолирующим поддоном и теплоизолирующим чехлом ставят на мороз и замораживают воду до полного замерзания всего объема воды, далее в любое удобное время снимают теплоизолирующий чехол и теплоизолирующий поддон и в условиях комнатной температуры лед оттаивают, пока крышка не отстанет ото льда, лед извлекают, перегружают в стакан с гибкими стенками и механически удаляют замороженный остаточный рассол, образовавшийся в области дна сосуда, а оставшуюся основную часть льда споласкивают питьевой водой комнатной температуры, затем оставшийся лед оттаивают для дальнейшего использования.

2. Комплект получения талой воды с пониженным содержанием солей, включающий расширяющийся кверху сосуд для замораживания питьевой воды с крышкой и стакан, отличающийся тем, что содержит теплоизолирующий поддон, установленный снаружи на дно сосуда, теплоизолирующий чехол, вмещающий сосуд с теплоизолирующим поддоном, гладкую гидрофобную не всплывающую в воде пластину с перфорацией, ключ для отделения замороженного остаточного рассола по плоскости пластины с перфорацией, стакан с гибкими боковыми поверхностями для таяния льда, колпак для стакана, сосуд имеет горизонтальный кольцевой внутренний выступ, выполненный с возможностью отделения остаточного замороженного рассола от основного льда и фиксации положения пластины с перфорацией по высоте, внутренняя боковая поверхность сосуда выполнена шероховатой сверху и до кольцевого внутреннего выступа, дно сосуда имеет сегментную внутреннюю выпуклость, выполненную с возможностью частичной компенсации расширения воды при переходе воды из жидкого состояния в лед, крышка сосуда выполнена из теплопроводящего гидрофильного материала с шероховатой, обращенной к воде поверхностью и с отверстием в центре для калибровки уровня воды в сосуде, крышка установлена на сосуд с водой с возможностью касания поверхности воды большей частью своей площади.