ВОДОУМЯГЧИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭКСПЛУАТИЦИИ ВОДОУМЯГЧИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2020 года по МПК C02F1/00 C02F1/42 B01J47/24 B01J47/14 B01J39/18 

Настоящее изобретение относится к водоумягчительному устройству и к способу эксплуатации водоумягчительного устройства.

Способы умягчения воды хорошо известны и в характерном случае включают обработку воды, находящейся под давлением, при этом поток воды пропускают через фильтр, содержащий катионообменный материал (неорганический или органический), получая при этом умягченную воду, которая желательна для бытовых прикладных задач, таких как стирка белья, купание в ванне и мытье посуды, для устройств типа кофемашин, в частности - для кофемашин с парогенераторами, а также для многих промышленных применений.

Основной задачей умягчения воды является защита устройств от известковой накипи. Это осуществляют посредством замены ионов кальция и магния (так называемых ионов жесткости) в потоке воды, например, на ионы натрия или калия.

Другие фильтры содержат слабокислую катионообменную смолу (WAC; от англ.: weak acid cationic ion exchange resin) в качестве катионообменного материала. Такие фильтры заменяют ионы жесткости на протоны. Это означает, что умягчение воды сопровождается снижением рН обработанной воды.

Каждый катионообменный материал обладает определенной емкостью, соответствующей количеству катионов, которые можно обменять на ионы жесткости. Объем воды, который можно обработать фильтром, прежде чем фильтр истощится и потребуется его замена, зависит от состава обрабатываемой воды. По очевидным причинам желательно иметь индикатор состояния истощения фильтра.

Классическим критерием, используемым для определения состояния истощения фильтра, является значение рН потока воды после обработки фильтром, содержащим катионообменный материал. Обычно при значении рН ниже 6,8 обеспечивается защита против известковой накипи. Если скорость истощения фильтра достигла точки, при которой рН превышает значение, равное 6,8, то фильтр необходимо заменить.

По нескольким причинам прямое определение значения рН потока воды после обработки является неоптимальным выбором для определения состояния истощения. Одним аспектом является высокая стоимость измерений рН. Другим аспектом является то, что датчик рН может требовать частых калибровок. Оптимальное решение должно быть экономически эффективным и автономным.

Настоящее изобретение основано на задаче, состоящей в обеспечении технического решения указанной проблемы индикации состояния истощения фильтра в способе умягчения воды.

Эта задача решена за счет водоумягчительного устройства, имеющего признаки по п. 1 формулы изобретения, и способа эксплуатации водоумягчительного устройства, имеющего признаки по п. 10 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления устройства определены в зависимых пунктах со 2 по 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа определены в зависимых пунктах с 11 по 14 формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на понимании того, что результат измерений электрических параметров воды, прошедшей через фильтр, содержащий катионообменный материал, может служить индикатором состояния истощения фильтра. Измерения электропроводности являются более выгодными по сравнению с прямым определением значений рН. Стоимость датчиков для измерений электрических параметров, включая электронные устройства, необходимые для управления ими, заметно ниже стоимости оборудования, необходимого для измерений рН. Кроме того, датчики для измерения электрических свойств обычно требуют лишь однократной калибровки.

Водоумягчительное устройство по настоящему изобретению содержит:

фильтр, выполненный с возможностью снижения жесткости первого потока необработанной воды с получением второго потока воды со сниженной жесткостью,

первый датчик для измерения электрического параметра первого потока, и

второй датчик для измерения электрического параметра второго потока.

Водоумягчительное устройство может дополнительно содержать третий датчик для выявления потока воды через фильтр. Однако этот признак является необязательным.

В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство содержит по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:

Устройство содержит базовый блок.

Первый датчик, второй датчик и необязательно также третий датчик (если устройство содержит третий датчик) являются составными частями базового блока.

Фильтр выполнен в виде сменного фильтра, разъемно соединяемого с базовым блоком.

Соответственно, предпочтительно, чтобы устройство имело модульную конструкцию. Базовый блок может содержать все компоненты, которые не истощаются во время эксплуатации. Фильтр может содержать только катионообменный материал, который истощается во время эксплуатации устройства. Когда происходит истощение, фильтр можно заменить. В противоположность этому базовый блок является многоразовым.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Базовый блок и фильтр соединены посредством винтового соединения.

Фильтр содержит впускное отверстие для первого потока и выпускное отверстие для второго потока.

Базовый блок содержит впускную линию для первого потока и выпускную линию для второго потока.

Впускная линия базового блока соединена с впускным отверстием фильтра, а выпускная линия базового блока соединена с выпускным отверстием фильтра.

Винтовое соединение может обеспечить очень надежное и герметичное соединение между базовым блоком и фильтром. Предпочтительно, чтобы фильтр имел деталь с отверстием, имеющую наружную резьбу, а базовый блок содержал приемную часть для фильтра с внутренней резьбой, причем форма и размеры резьб должны соответствовать друг другу. Отверстие обеспечивает доступ к впускному отверстию фильтра для первого потока и к выпускному отверстию для второго потока. Приемная часть содержит вход в выпускную линию базового блока. Кроме того, впускная линия базового блока открывается в приемную часть. Отверстие и приемная часть предпочтительно являются взаимосвязанными и соответствуют друг другу, так что впускная линия базового блока соединена с впускным отверстием фильтра, а выпускная линия базового блока соединена с выпускным отверстием фильтра, когда деталь с отверстием, имеющая наружную резьбу, ввинчена в приемную часть.

Для обеспечения герметичности может быть предпочтительным, чтобы на поверхности раздела между фильтром и базовым блоком находились один или более уплотнительных материалов, в частности - одно или более уплотнительных колец.

Конечно, можно также соединить базовый блок и фильтр с использованием других технических средств, например - с использованием простого защелкивающегося соединения.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Первый датчик и/или второй выполнены с позможностью измерения электропроводности и/или электрического сопротивления.

Первый датчик выполнен в виде электролитической ячейки, способной подавать ток к первому потоку.

Второй датчик выполнен в виде электролитической ячейки, способной подавать ток ко второму потоку.

Первый датчик расположен внутри впускной линии базового блока или на входе во впускную линию базового блока.

Второй датчик расположен внутри выпускной линии базового блока или на входе в выпускную линию базового блока.

Необязательный третий датчик, если он имеется, расположен внутри впускной линии базового блока, или на входе во впускную линию базового блока, или внутри выпускной линии базового блока, или на входе в выпускную линию базового блока.

Обычно предпочтительно, чтобы первый датчик и второй датчик выполнены с возможностью измерения электропроводности. Датчики, пригодные для измерения электропроводности воды, в частности - электролитические ячейки, пригодные для измерения электропроводности воды, известны специалистам в данной области техники и не требуют дальнейшего разъяснения.

В других предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Устройство содержит электронный блок управления, который соединен с первым датчиком, со вторым датчиком и, необязательно, с третьим датчиком (если устройство содержит третий датчик).

Электронный блок управления содержит внутреннюю память данных и блок обработки данных.

Электронный блок управления является составной частью базового блока.

Предпочтительно, чтобы устройство характеризовалось комбинацией всех этих признаков. Электронный блок управления и все датчики предпочтительно являются составными частями базового блока.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Фильтр содержит ионообменную смолу.

* Фильтр содержит картридж, в котором содержится ионообменная смола, причем картридж предпочтительно состоит из пластика.

Ионообменная смола является слабокислой катионной ионообменной смолой (WAC-смолой).

Ионообменная смола работает в Н⁺-режиме.

Ионообменная смола забуферена.

Ионообменная смола забуферена по меньшей мере одной солью, в частности - по меньшей мере одной солью, выбранной из группы, состоящей из соли калия (K⁺), соли натрия (Na⁺) и соли лития (Li⁺).

В предпочтительных вариантах осуществления способа по настоящему изобретению (см. ниже) очень важным является забуферивание ионообменной смолы. Особо предпочтительно, чтобы ионообменная смола была забуференной WAC смолой, в частности - WAC смолой, забуференной по меньшей мере одной солью, выбранной из группы, состоящей из соли калия (K⁺), соли натрия (Na⁺) и соли лития (Li⁺). Если WAC смола забуферена, то она содержит - кроме ионов Н⁺-некоторое количество катионов металлов, в частности - ионов K⁺, Na⁺ и/или Li⁺.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Устройство содержит обводную линию для смешивания второго потока с водой первого потока.

Обводная линия соединяет впускную линию базового блока с выпускной линией базового блока.

Обводная линия содержит клапан для регулирования количества воды из первого потока, смешиваемого со вторым потоком.

Обводная линия встроена в базовый блок.

Через обводную линию второй поток можно смешать с водой из первого потока. Это может быть полезным, если, например, в результате обработки водоумягчительным устройством рН второго потока слишком сильно снижается.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Устройство содержит индикатор замены фильтра, выполненный с возможностью указания на то,, что фильтр достиг конца срока службы или близок к концу срока службы.

Индикатор замены является оптическим сигнальным устройством и/или акустическим сигнальным устройством.

Индикатор замены фильтра является составной частью базового блока.

Индикатор замены фильтра соединен с электронным блоком управления.

Электронный блок управления выполнен с возможностью запуска подачи предупреждающего сигнала индикатором замены в зависимости от электрических параметров первого и второго потока, измеренных первым и вторым датчиками.

Предпочтительно, чтобы устройство характеризовалось комбинацией всех этих признаков. Такое устройство способно не только определить состояние истощения фильтра. Оно также способно подать предупреждающий сигнал, чтобы дать оператору информацию о том, что приближается конец срока службы фильтра, и вскоре потребуется его заменить.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Устройство содержит крепление для стационарной установки базового блока.

Крепление содержит одно или более отверстий и соединено или может быть соединено с базовым блоком.

Можно разместить базовый блок в фиксированном, стационарном положении при помощи крепления. Во время эксплуатации можно только заменять фильтр.

Способ по настоящему изобретению является способом эксплуатации водоумягчительного устройства. Предпочтительно, устройство, эксплуатируемое этим способом, является устройством такого типа, как описанное выше. Он включает стадии, на которых

пропускают первый поток необработанной воды через фильтр, выполненный с возможностью снижения жесткости воды в потоке с получением второго потока воды со сниженной жесткостью,

измеряют электрический параметр первого потока первым датчиком,

измеряют электрический параметр второго потока вторым датчиком,

определяют отношение измеренного электрического параметра второго потока к измеренному электрическому параметру первого потока, и

используют это отношение в качестве индикатора состояния истощения фильтра.

Предпочтительно измерение электрических параметров первого и второго потоков выполняется одновременно или с определенной задержкой.

В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения способ может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

Измеряемыми электрическими параметрами являются электропроводность или электрическое сопротивление первого и второго потоков.

Отношением является отношение электропроводности второго потока к электропроводности первого потока.

На практике можно также определить отношение электропроводности первого потока к электропроводности второго потока (и не наоборот, а именно -электропроводности второго потока к электропроводности первого потока). Фактически в обоих случаях получают соотношение, которое можно использовать в качестве индикатора состояния истощения фильтра.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения способ может отличаться следующими дополнительными признаками и/или стадиями:

Фильтр (105) содержит ионообменную смолу, которая забуферена.

Выполняют последовательность измерений электропроводностей первого и второго потоков.

По результатам каждого из измерений определяют отношения электропроводности второго потока к электропроводности первого потока, таким образом получая последовательность отношений.

Определяют минимальное отношение ratio_min.

Определяют пороговое значение ratio_exhaust как функцию ratio_min.

Пороговое значение ratio_exhaust соответствует значению рН, при котором фильтр необходимо заменить. Как указано вначале, обычно это имеет место при значении рН, равном 6,8. Соответственно, в этом случае ratio_exhaust можно также назвать ratio_6,8.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения способ может отличаться по меньшей мере одной из следующих дополнительных стадий:

Пороговое значение ratio_exhaust рассчитывают по формуле

ratio_exhaust = a*ratio_min+b,

в которой а и b являются переменными величинами, значения которых зависят от типа, изготовления и количества забуференной ионообменной смолы и от свойств первого потока необработанной воды.

Пороговое значение ratio_exhaust рассчитывают по формуле

ratio_exhaust = a*(ratio_min)²+b*ratio_min+с,

в которой а и b и с являются переменными величинами, значения которых зависят от типа, способа изготовления и количества забуференной ионообменной смолы и от свойств первого потока необработанной воды.

В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения способ может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков и/или стадий:

Пороговое значение ratio_warning является предварительно заданным значением.

Пороговое значение ratio_warning рассчитывают на основании данных, полученных посредством измерений электрических параметров первого и второго потоков.

Пороговое значение ratio_warning рассчитывают, исходя из отношения электропроводности второго потока к электропроводности первого потока.

Пороговое значение ratio_warning определяют как функцию ratio_exhaust.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения можно определить на основании графических материалов и приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, описанные ниже, предназначены исключительно для иллюстративных целей и для обеспечения лучшего понимания настоящего изобретения, и они ни в коей мере не ограничивают его.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 иллюстрирует общий процесс ионного обмена во время эксплуатации водоумягчительного устройства, содержащего фильтр, содержащий незабуференную WAC смолу.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует наиболее важные признаки предпочтительного варианта осуществления водоумягчительного устройства по настоящему изобретению.

Фиг. 3 иллюстрирует изменение концентрации ионов Са²⁺, Na⁺и НСО₃^- в потоке воды, прошедшем через фильтр, содержащий WAC смолу, забуференную солью натрия, как функцию объема, прошедшего через фильтр.

Фиг. 4 иллюстрирует изменение рН воды, прошедшей через фильтр, содержащий WAC смолу, забуференную солью натрия, как функцию объема, прошедшего через фильтр.

Фиг. 5 иллюстрирует изменение электропроводности воды, прошедшей через фильтр, содержащий WAC смолу, забуференную солью натрия, как функцию объема, прошедшего через фильтр.

Фиг. 6 иллюстрирует изменения ratio_min и ratio_6,8 как функцию отношения TH/Alk.

Фиг. 7 иллюстрирует линейную зависимость между ratio_min и ratio_6,8.

Фиг. 8 иллюстрирует связь между ratio_min, ratio_warning и ratio_6,8.

Фиг. 9 изображает поперечное сечение другого предпочтительного варианта осуществления водоумягчительного устройства по настоящему изобретению (схематическое изображение).

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

(1) Общий процесс ионного обмена при использовании WAC смолы

У большинства встречающихся природных вод общая жесткость ТН (ТН; от англ.: total hardness) (ТН соответствует сумме концентраций ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде: ТН=[Са²⁺] + [Mg²⁺]) выше, чем щелочность Alk. (Alk.; от англ.: alkalinity) (щелочность пропорциональна концентрации ионов НСО₃^-: Alk. = [НСО₃^-]), так что отношение TH/Alk. >

1. Такая вода, обрабатываемая в слое WAC смолы, используемой в Н⁺-форме, будет реагировать следующим образом:

2R-COO-H+Са²⁺+2HCO₃^-→(R-COO)₂-Ca+2H₂CO₃

Ионы Н⁺, фиксированные на WAC смоле, заменяются на ионы жесткости (Са²⁺ и Mg²⁺). Ионы Н⁺, отданные смолой, затем будут реагировать с ионами щелочности (HCO₃) с преобразованием в CO₂ (H₂CO₃). Другими словами, ионы жесткости будут заменяться в зависимости от концентрации ионов щелочности.

Процесс, также известный как процесс деалкалинизации, количественно проиллюстрирован на Фиг. 1. Он управляется отношением ТН к Alk. Для предотвращения снижения рН обработанной воды до слишком низкого уровня, можно, а иногда даже целесообразно, смешать обработанную воду с определенным процентом необработанной воды (например, от 10% до 70%). Настройка обводной линии обычно определяется составом необработанной воды, от которого зависят реакция WAC смолы и состав обработанной воды.

(2) Предпочтительный вариант осуществления устройства по настоящему изобретению

Устройство (100), изображенное на Фиг. 2, содержит впускную линию 101 для первого потока необработанной воды. В месте соединения 102 первый поток необработанной воды разделяется на два частичных потока. Один из частичных потоков по линии 104 проводится к фильтру 105. Второй частичный поток течет через обводную линию 102. Соотношение между двумя частичными потоками регулируется клапаном 112.

Фильтр 105 содержит слой WAC смолы, используемой в Н⁺-форме. Когда вода протекает через фильтр 105, ионы Н⁺, фиксированные на WAC смоле, заменяются на ионы жесткости. В месте соединения 106 воду, выходящую из фильтра 105, можно смешать с необработанной водой из обводной линии 103. Через выпускную линию 107 вода может выйти из устройства 100.

Устройство 100 содержит два датчика 109 и 110 для измерения электропроводности воды, протекающей через устройство. Датчик 109 расположен во впускной линии 101. Датчик 110 расположен в выпускной линии 107. Кроме этих датчиков, устройство 100 содержит датчик 108, предназначенный для обнаружения потока воды через фильтр 105. Датчик 108 дает информацию о наличии потока воды через фильтр 105. Датчики со 108 по 110 подсоединены к электронному блоку 111 управления.

С помощью датчиков 109 и 110 можно определить отношение электропроводности умягченной воды, которая была по меньшей мере частично обработана в фильтре 105, к электропроводности необработанной воды. После каждой замены фильтра 105 необходимо определенное время для стабилизации результатов измерения электропроводности. Затем определяют отношение. Обнаружено (см. ниже), что посредством мониторинга этого отношения можно определить значение отношения электропроводностей, соответствующее определенному значению рН. Обычно фильтр, содержащий WAC смолу, следует заменить, если значение рН обработанной воды достигает 6,8.

Если фильтр 105 содержит забуференную WAC смолу, то в начале срока службы фильтра 105 отношение электропроводностей будет снижаться, пока не достигнет минимума. После достижения этого минимума отношение электропроводностей начнет повышаться до конца срока службы фильтра 105.

(3) Пример определения отношения электропроводности необработанной воды к электропроводности умягченной воды

Принцип работы слоя WAC смолы, используемой в Н⁺-форме, проиллюстрирован на Фиг. 1. Для предотвращения снижения рН обработанной воды до слишком низкого значения (особенно в начале цикла), кроме использования обводной линии, ионообменную смолу можно забуферить дополнительной солью, которая может содержать любой ион, обладающий меньшей селективностью, чем ионы, подлежащие замене. Обычно предпочтительны ионы K⁺, Na⁺ и/или Li⁺. В данном случае предпочтительно использована ионообменная смола, забуференная Na⁺. Количество натрия в этом применении может лежать в диапазоне от 0,1 моля до 1,0 моля натрия на литр ионообменной смолы.

Ионообменная смола обнаруживает различные уровни селективности по отношению к различным ионам, содержащимся в растворе. В случае WAC смолы селективность обычно является следующей:

K⁺<Na⁺<Li⁺<Mg²⁺<Са²⁺<Н⁺

Это означает, что в случае WAC смолы, регенерированной в Н⁺-форме и забуференной любой дополнительной солью с меньшей селективностью, чем для ионов, подлежащих замене (например, Na⁺ буфер для удаления Са²⁺ и Mg²⁺), ионы жесткости преимущественно будут заменяться на буферные ионы Na⁺ в соответствии с селективностью смолы. Если заменяются буферные ионы Na⁺, происходит обычный процесс деалкализации. Ионы Са²⁺ и Mg²⁺ заменяются на ионы Н⁺, которые реагируют с ионами щелочности с преобразованием в CO₂. Высвобождение буферного иона (то есть Na⁺) приводит к более равномерному выделению Н⁺ в начале цикла, что способствует предотвращению снижения рН до слишком низкого уровня.

В начале цикла в WAC смоле преимущественно заменяется буферный ион (то есть Na⁺) на ионы Са²⁺ и Mg²⁺, но, как описано выше, Н⁺ ионы заменяются тоже. По мере того как количество воды, проходящей через фильтр, будет увеличиваться, количество буферного иона (то есть Na), заменяющегося на Са²⁺ и Mg²⁺, будет снижаться, тогда как количество Н⁺ будет возрастать. Это приведет к снижению рН в начале цикла, ограниченному выделением буферного иона. Поскольку часть щелочности будет преобразована в CO₂, концентрация НСО₃^- также будет снижаться. Одновременно начнет соответственно увеличиваться утечка ионов жесткости.

После того как загруженные буферные ионы будут выделены, происходит перегиб кривых. рН начнет повышаться до полного истощения фильтра. Это означает, что в начале цикла рН дойдет до минимального значения (ratio_min) и затем будет повышаться до достижения отношения, соответствующего рН 6,8 (ratio_6,8 или ratio_exchange, см. выше) - критерия замены фильтра.

Эксперименты были проведены с использованием фильтра, содержащего WAC смолу, забуференную Na⁺ в количестве, лежащем в диапазоне от 0,1 моля до 1,0 моля на литр смолы. Поток неообработанной воды пропускали через фильтр. Состав необработанной воды на входе в фильтр проанализировали:

Т=20°С

рН=7,68

Щелочность = 4,77 мэкв/л

Са²⁺ = 4,70 мэкв/л

Mg²⁺ = 0,41 мэкв/л

Na⁺ = 0,17 мэкв/л

K⁺ = 0,05 мэкв/л.

NO₃^- = 0,25 мэкв/л

Cl^- = 0,25 мэкв/л

SO₄^- = 0,36 мэкв/л

В эксперименте фильтр довели до полного истощения. Поток воды пропускали через фильтр до тех пор, пока состав воды на выходе не становился сходным с составом воды на входе. Электропроводность потока воды непрерывно измеряли на входе фильтра и на выходе фильтра.

Фиг.3 иллюстрирует изменение концентрации ионов Са²⁺, Na⁺ и НСО₃^- в потоке воды, прошедшем через фильтр. Фиг. 4 иллюстрирует изменение рН воды, прошедшей через фильтр. Фиг. 5 иллюстрирует изменение отношения электропроводности воды, прошедшей через фильтр, к электропроводности необработанной воды.

Из трех графиков, приведенных на Фиг. 3-5, становится очевидным, что концентрация HCO₃^-, рН и отношение электропроводностей претерпевают одинаковые изменения. На самом деле, концентрация HCO₃^-, рН и отношение электропроводностей связаны друг с другом. В эксперименте электропроводность необработанной воды была стабильной. Вследствие этого отношение соответствует изменению электропроводности на выходе. Электропроводность пропорциональна концентрации HCO₃^-, которая непосредственно связана с рН и щелочностью согласно карбонатно-кальциевому равновесию.

Согласно графику, приведенному на Фиг. 4, объем, соответствующий рН 6,8, равен примерно 750 литрам. Согласно графику, приведенному на Фиг. 5, отношение, соответствующее объему, равному 750 литрам, равно примерно 0,85. Объединение этой информации приводит к выводу о том, что рН 6,8 соответствует отношению, равному 0,85. Поэтому это отношение названо ratio_6,8. Кроме того, из графика, приведенного на Фиг. 5, можно получить наинизшее отношение, ratio_min, которое имеет значение, равное 0,64, в этом случае.

Существует прямая связь между ratiojnin и ratio_6,8. Чтобы продемонстрировать связь между ними, фильтр испытали с использованием различных водных композиций (с различным отношением ТН / Alk.). Фильтр, использованный для испытаний, содержал фиксированное заданное количество WAC ионообменной смолы. Смолу всегда кондиционировали одинаково, используя Na⁺ в качестве буфера в одном и том же количестве, лежавшем в диапазоне от 0,1 моля до 1,0 моля Na⁺ на литр смолы. Обводную линию регулировали в диапазоне от 10% до 70% в зависимости от щелочности воды.

Результаты проиллюстрированы на Фиг. 6, где значения ratio_min и ratio_6,8 для различных водных композиций указаны в виде функции отношения TH/Alk. Для различных исследованных водных композиций значения ratio_min и ratio_6,8 были линейными функциями отношения TH/Alk. Значения ratio_min и ratio_6,8 зависят от использованной WAC ионообменной смолы, ее емкости и количества загруженного буфера (здесь - Na⁺), а также от состава необработанной воды, в частности - от отношения TH/Alk.

Это означает, что для определенного типа WAC смолы, одинакового количества буфера, загруженного на смолу, в пересчете на основной регенерант Н⁺, и одинаковой водной композиции значения ratio_min и ratio_6,8 всегда будут иметь одни и те же значения.

Тот факт, что ratio_min и ratio_6,8 являются линейными функциями отношения TH/Alk. в проанализированном диапазоне, приводит к выводу о том, что имеется также линейная зависимость между ratio_min и ratio_6,8. Это проиллюстрировано графиком, изображенным на Фиг. 7.

Вывод: В случае фильтра определенного размера, в котором всегда используется одно и то же количество WAC ионообменной смолы, кондиционированной одним и тем же способом, значение ratio_6,8, соответствующее точке истощения, является линейной функцией ratio_min. Этот график является характеристикой определенного типа фильтра, и его можно использовать в качестве критерия истощения. В представленном случае критерий истощения равен:

Ratio_6,8 = 0,6839*ratio_min+0,4157

Соответственно, если значение ratio_min известно, по этому уравнению можно рассчитать значение ratio_6,8, которое соответствует точке, в которой фильтр необходимо заменить. Критерий истощения позволяет установить корреляцию между рН на выходе из фильтра, нуждающегося в замене, и отношением электропроводности на выходе к электропроводности на входе.

В описанном примере согласно графику на Фиг. 5 отношение достигает минимума при значении, равном 0,64, поэтому ratio_min = 0,64. Ratio_6,8 можно определить как:

Ratio_6,8 = 0,6839*0,64+0,4157=0,85.

В данном примере это означает, что когда отношение электропроводностей достигнет значения, равного 0,85, рН на выходе будет равен 6,8, и фильтр необходимо будет заменить.

(4) Подача предупреждающего сигнала

Если значения ratio_min и ratio_6,8 известны, устройство по настоящему изобретению можно сконфигурировать так, чтобы оно определяло отношение для подачи предупреждающего сигнала (ratio_warning), чтобы дать пользователю информацию о том, что приближается конец срока службы фильтра, и его скоро необходимо будет заменить.

Ratio_warning рассчитывают следующим образом на основании разности (Δ ratio)между ratio_6,8 и ratio_min:

Δ ratio 6,8 и min = ratio_6,8-ratio_min

Ratio_warning = ratio_6,8-0,1*Δ ratio 6,8 и min

Согласно описанному выше примеру ratio_warning равно:

Ratio_warning = 0,85-0,2*(0,85-0,64) = 0,81

В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения устройство по настоящему изобретению содержит три светодиода (зеленый, оранжевый и красный) в качестве оптических сигнальных устройств. Свечение светодиодов регулируется следующим образом:

* Зеленый светодиод ВКЛЮЧЕН: ratio_actual < ratio_warning

* Оранжевый светодиод ВКЛЮЧЕН: ratio_warning < ratio_actual < ratio_6,8

* Красный светодиод ВКЛЮЧЕН: ratio_actual > ratio_6,8

С помощью светодиодов можно подать предупреждающий сигнал до истощения фильтра, чтобы проинформировать пользователя о том, что фильтр находится в конце срока службы.

Связь между ratio_min, ratio_warning и ratio_6,8 проиллюстрирована на Фиг. 8.

(5) Другой предпочтительный вариант осуществления водоумягчительного устройства по настоящему изобретению

Устройство 100, изображенное на Фиг. 9, содержит базовый блок 115 и заменяемый фильтр 105. Базовый блок 115 и фильтр 105 соединены винтовым соединением. Для этого фильтр содержит наружную резьбу 117, а базовый блок содержит внутреннюю резьбу 118. Для обеспечения герметичности на поверхности раздела между фильтром 105 и базовым блоком 115 расположены уплотняющие кольца 113 и 114.

Базовый блок содержит впускную линию 101 для первого потока необработанной воды, выпускную линию 107 для второго потока воды со сниженной жесткостью, выходящего из фильтра 195, и обводную линию 103. В месте соединения 102 первый поток необработанной воды разделяется на два частичных потока. Один из частичных потоков через линию 104 проводится к фильтру 105. Другой частичный поток течет через обводную линию 103. Соотношение между двумя частичными потоками можно регулировать клапаном 112. В месте соединения 106 воду, которая вышла из фильтра 105, можно смешать с необработанной водой из обводной линии 103. Через выпускную линию 107 вода может выйти из устройства 100. Стрелки использованы для того, чтобы показать направления, в которых потоки воды текут внутри устройства.

Фильтр 105 содержит впускное отверстие 105а для первого потока необработанной воды и выпускное отверстие 105b для второго потока воды со сниженной жесткостью. Впускная линия 101 базового блока 115 подсоединена к впускному отверстию 105а фильтра 105, а выпускная линия 107 базового блока 115 подсоединена к выпускному отверстию 105b фильтра 105.

Фильтр 105 содержит WAC смолу 105d, используемую в Н⁺ форме и забуференную Na⁺. WAC смола 105d содержится в картридже 105 с. Когда вода течет через фильтр 105, ионы Na⁺ и ионы Н⁺, фиксированные на WAC смоле 105d, заменяются на ионы жесткости. Вначале преимущественно заменяются Na⁺ ионы. В дальнейшем возрастает выход ионов Н⁺, а выход ионов Na⁺ снижается.

Устройство 100 содержит два датчика 109 и 110 для измерения электропроводности воды, протекающей через устройство. Датчик 109 расположен в выпускной линии 107. Датчик 110 расположен во впускной линии 101. Кроме этих датчиков, устройство 100 содержит датчик 108, предназначенный для обнаружения потока воды через фильтр 105. Датчик 108 дает информацию о наличии потока воды через фильтр 105. Датчики со 108 по 110 подсоединены к электронному блоку 111 управления, как показано на Фиг. 2. Электронный блок управления не виден на поперечном сечении, изображенном на Фиг. 9.

Устройство 100 дополнительно содержит 3 светодиода 116 в качестве индикатора замены фильтра. С помощью светодиодов 116 можно подать первый предупреждающий сигнал, чтобы проинформировать пользователя о том, что фильтр находится в конце срока службы, и второй предупреждающий сигнал, когда фильтр истощается, как уже описано выше.

Группа изобретений относится к водоумягчительному устройству и к способу эксплуатации водоумягчительного устройства. Водоумягчительное устройство содержит фильтр, который выполнен с возможностью снижения жесткости первого потока необработанной воды с получением второго потока воды со сниженной жесткостью, первый датчик для измерения электрического параметра первого потока и второй датчик для измерения электрического параметра второго потока. Отношение измеренных параметров можно использовать в качестве индикатора для оценки состояния истощения фильтра. Фильтр содержит ионообменную смолу, которая работает в Н⁺ - режиме. Ионообменная смола забуферена по меньшей мере одной солью, выбранной из группы, состоящей из соли калия, соли натрия и соли лития. Группа изобретений обеспечивает защиту устройства от известковой накипи и служит для предотвращения снижения рН обработанной воды до слишком низкого значения (особенно в начале цикла), а также обеспечивает индикацию состояния истощения фильтра в способе умягчения воды. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Водоумягчительное устройство (100), содержащее

a) фильтр (105), выполненный с возможностью снижения жесткости первого потока необработанной воды с получением второго потока воды со сниженной жесткостью,

b) первый датчик (109) для измерения электрического параметра первого потока,

c) второй датчик (110) для измерения электрического параметра второго потока, и

d) необязательно - третий датчик (108) для обнаружения потока воды через фильтр (105), при этом

e) фильтр (105) содержит ионообменную смолу (105d), которая работает в Н⁺-режиме, и

f) которая забуферена по меньшей мере одной солью, выбранной из группы, состоящей из соли калия (K⁺), соли натрия (Na⁺) и соли лития (Li⁺).

2. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Устройство (100) содержит базовый блок (115);

b) Первый датчик (109), второй датчик (110) и третий датчик (108) являются составными частями базового блока (115);

c) Фильтр (105) выполнен в виде сменного фильтра, разъемно соединяемого с базовым блоком (115).

3. Водоумягчительное устройство по п. 1 или 2, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Базовый блок (115) и фильтр (105) соединены посредством винтового соединения;

b) Фильтр (105) содержит впускное отверстие (105а) для первого потока и выпускное отверстие (105b) для второго потока;

c) Базовый блок (115) содержит впускную линию (101) для первого потока и выпускную линию (107) для второго потока;

d) Впускная линия (101) базового блока (115) соединена с впускным отверстием (105а) фильтра (105), а выпускная линия (107) базового блока (115) соединена с выпускным отверстием (105b) фильтра (105).

4. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Первый датчик (109) и/или второй датчик (110) выполнены с возможностью измерения электропроводности и/или электрического сопротивления;

b) Первый датчик (109) выполнен в виде электролитической ячейки, способной подавать ток к первому потоку;

c) Второй датчик (110) выполнен в виде электролитической ячейки, способной подавать ток ко второму потоку;

d) Первый датчик (109) расположен внутри впускной линии (101) базового блока (115) или на входе во впускную линию (101) базового блока (115);

e) Второй датчик (110) расположен внутри выпускной линии (107) базового блока (115) или на входе в выпускную линию (107) базового блока (115).

5. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Устройство (100) содержит электронный блок (111) управления, который соединен с первым датчиком (109), со вторым датчиком (110) и с третьим датчиком (108);

b) Электронный блок (111) управления содержит внутреннюю память данных и блок обработки данных;

c) Электронный блок (111) управления является составной частью базового блока (115).

6. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Ионообменная смола (105d) содержится в картридже (105 с);

b) Ионообменная смола (105d) является слабокислой катионной ионообменной смолой (WAC-смолой).

7. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Устройство (100) содержит обводную линию (103) для смешивания второго потока с водой первого потока;

b) Обводная линия (103) соединяет впускную линию (101) базового блока (115) с выпускной линией (107) базового блока (115);

c) Обводная линия (103) содержит клапан (112) для регулирования количества воды из первого потока, смешиваемого со вторым потоком;

d) Обводная линия (103) встроена в базовый блок (115).

8. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Устройство (100) содержит индикатор (116) замены фильтра, выполненный с возможностью указания на то, что фильтр (105) достиг конца срока службы или близок к концу срока службы;

b) Индикатор (116) замены является оптическим сигнальным устройством и/или акустическим сигнальным устройством;

c) Индикатор (116) замены фильтра является составной частью базового блока (115);

d) Индикатор (116) замены фильтра соединен с электронным блоком (111) управления;

e) Электронный блок (111) управления выполнен с возможностью запуска подачи предупреждающего сигнала индикатором (116) замены в зависимости от электрических параметров первого и второго потока, измеренных первым датчиком (109) и вторым датчиком (110).

9. Водоумягчительное устройство по п. 1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:

a) Устройство (100) содержит крепление для стационарной установки базового блока (115);

b) Крепление содержит одно или более отверстий и соединено или может быть соединено с базовым блоком (115).

10. Способ эксплуатации водоумягчительного устройства, в частности - устройства (100) по п. 1, включающий стадии, на которых

a) пропускают первый поток необработанной воды через фильтр (105), выполненный с возможностью снижения жесткости потока, с получением второго потока воды со сниженной жесткостью,

b) измеряют электрический параметр первого потока первым датчиком (109),

c) измеряют электрический параметр второго потока вторым датчиком (110),

d) определяют отношение измеренного электрического параметра второго потока к измеренному электрическому параметру первого потока, и

e) используют это отношение в качестве индикатора состояния истощения фильтра (105),

при этом

f) фильтр (105) содержит ионообменную смолу (105d), которая работает в H⁺-режиме, и

g) которая забуферена по меньшей мере одной солью, выбранной из группы, состоящей из соли калия (K⁺), соли натрия (Na⁺) и соли лития (Li⁺).

11. Способ по п. 10, отличающийся одной из следующих дополнительных стадий или признаков:

a) Измеряемыми электрическими параметрами являются электропроводность или электрическое сопротивление первого и второго потоков;

b) Отношением является отношение электропроводности второго потока к и электропроводности первого потока.

12. Способ по п. 10, отличающийся одной из следующих дополнительных стадий или признаков:

a) Выполняют последовательность измерений электропроводностей первого и второго потоков;

b) По результатам каждого из измерений определяют отношение электропроводности второго потока к электропроводности первого потока, таким образом получая последовательность отношений;

c) Определяют минимальное отношение ratio_min;

d) Определяют пороговое значение ratio_exhaust как функцию ratio_min.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что он включает одну из следующих дополнительных стадий:

a) Пороговое значение ratio_exhaust рассчитывают по формуле

ratio_exhaust = a*ratio_min+b,

где а и b являются переменными величинами, значения которых зависят от типа, получения и количества забуференной ионообменной смолы и от свойств первого потока необработанной воды;

b) Пороговое значение ratio_exhaust рассчитывают по формуле

ratio_exhaust = a*(ratio_min)²+b*ratio_min+с,

где а и b и с являются переменными величинами, значения которых зависят от типа, получения и количества забуференной ионообменной смолы и от свойств первого потока необработанной воды.

14. Способ по п. 10, отличающийся одной из следующих дополнительных стадий или признаков:

a) Предупреждающий сигнал подается, когда отношение проходит пороговое значение ratio_warning;

b) Пороговое значение ratio_warning является предварительно заданным значением;

c) Пороговое значение ratio_warning рассчитывают на основании данных, полученных посредством измерений электрических параметров первого и второго потоков;

d) Пороговое значение ratio_warning рассчитывают, исходя из отношения электропроводности второго потока к электропроводности первого потока;

e) Пороговое значение ratio_warning определяют как функцию ratio_exhaust.