RU191503U1 - HEAT EXCHANGE DEVICE FOR WATER TREATMENT SYSTEM BY RECRYSTALLIZATION METHOD - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для периодического замораживания и оттаивания льда в одно- и многоступенчатых системах очистки технической, загрязненной, засоленной и морской воды. Теплообменное устройство состоит из внешнего и внутреннего корпусов и перегородки цилиндрической формы, расположенных коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевой полости между их стенками, коллектора для подачи воздуха, охлаждающих и нагревательных элементов, нагревательного элемента, закрепленного в верхней части внутреннего корпуса, и, по меньшей мере, одного сливного патрубка. Внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания. Перегородка закреплена между упомянутыми корпусами с образованием охлаждающей и рециркуляционной полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой и над ней. Высота перегородки составляет 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса. Коллектор смонтирован на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости. Внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами и его высота соответствует высоте внешнего корпуса. Соотношение высоты внешнего корпуса к его диаметру составляет 1,5-1,7. Внешний корпус выполнен с дополнительной внутренней стенкой цилиндрической формы, высота которой соответствует высоте внешнего корпуса, а охлаждающие и нагревательные элементы расположены между упомянутой стенкой и стенкой внешнего корпуса. Сочетание в устройстве достаточно большой производительности и высокого качества очистки воды позволяет использовать его в системах очистки воды с широким диапазоном загрязнений органическими и неорганическими веществами. 2 з.п. ф-лы; 2 фиг.; 1 прим.The utility model relates to devices for periodically freezing and thawing ice in single and multi-stage purification systems for industrial, contaminated, saline and sea water. The heat exchange device consists of an outer and inner case and a cylindrical partition located coaxially relative to each other with the formation of an annular cavity between their walls, a collector for air supply, cooling and heating elements, a heating element fixed in the upper part of the inner case, and at least at least one drain pipe. The outer case is made with the possibility of tight locking. The partition is fixed between the mentioned cases with the formation of cooling and recirculation cavities, communicating with each other through the water under the partition and above it. The height of the partition is 0.8-0.9 of the height of the outer casing. The collector is mounted on the bottom of the outer casing in the cooling cavity. The inner case is made with closed ends and its height corresponds to the height of the outer case. The ratio of the height of the outer casing to its diameter is 1.5-1.7. The outer casing is made with an additional inner wall of cylindrical shape, the height of which corresponds to the height of the outer casing, and cooling and heating elements are located between the said wall and the wall of the outer casing. The combination of a sufficiently large productivity and high quality water purification in the device allows its use in water purification systems with a wide range of pollution by organic and inorganic substances. 2 s.p. f-ly; 2 figures; 1 approx.

Description

Полезная модель относится к устройствам для очистки воды методом перекристаллизации, в частности к устройствам для периодического замораживания и оттаивания льда в одно- и многоступенчатых системах очистки технической, загрязненной, засоленной и морской воды, которые используют для получения талой питьевой воды.The utility model relates to devices for water purification by recrystallization, in particular to devices for periodically freezing and thawing ice in single and multi-stage purification systems for industrial, contaminated, saline and sea water, which are used to produce thawed drinking water.

Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА 017783, МПК(2006.01) C02F 1/22, дата публикации 29.03.2013), состоящее из корпуса, охлаждающего и нагревательного элементов, теплоизолирующего кожуха, средства для слива воды и средства для перемешивания воды. Охлаждающий и нагревательный элементы закреплены на наружной поверхности корпуса, при этом охлаждающий элемент выполнен в виде испарителя, а нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя. Средство для слива воды выполнено в виде патрубка, расположенного на стенке в нижней части корпуса. Средство для перемешивания воды выполнено в виде водяной помпы (или лопастей механической мешалки), смонтированной в центре днища.Known heat exchange device for water purification by recrystallization (patent No. EA 017783, IPC (2006.01) C02F 1/22, publication date 03/29/2013), consisting of a housing, cooling and heating elements, a heat insulating casing, means for draining water and means for mixing water. The cooling and heating elements are fixed on the outer surface of the housing, while the cooling element is made in the form of an evaporator, and the heating element is made in the form of an electric heater. Means for draining water is made in the form of a pipe located on the wall in the lower part of the housing. Means for mixing water is made in the form of a water pump (or the blades of a mechanical stirrer) mounted in the center of the bottom.

Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды с образованием чистого пристеночного льда на внутренней поверхности корпуса и в режиме оттаивания пристеночного льда со сливом образовавшейся чистой воды в накопительную емкость. При этом в режиме замораживания загрязненная вода с высоким содержанием солей скапливается в нижней части корпуса и выводится из нее через сливной патрубок. Средство для перемешивания воды используют в режиме замораживания после формирования тонкого слоя льда на стенках корпуса для более интенсивного охлаждения воды и ускорения процесса образования льда. Перемешивание загрязненной воды также способствует удалению с поверхности льда пузырьков воздуха и сорбированных на них частиц примесей, а также повышению интенсивности теплообмена внутри корпуса и отводу растворенных в воде примесей с границы раздела фаз. Работа режимов перекристаллизации в теплообменном устройстве осуществляется в системе очистки воды посредством автоматического блока управления под контролем соответствующих датчиков. Теплообменное устройство интегрировано в систему очистки воды, предназначенную для использования в быту, пищевой промышленности и медицине.The heat exchanger operates alternately in the mode of freezing contaminated water with the formation of clean near-wall ice on the inner surface of the casing and in the mode of thawing near-wall ice with the discharge of the resulting clean water into a storage tank. Moreover, in the freezing mode, contaminated water with a high salt content accumulates in the lower part of the casing and is discharged from it through the drain pipe. Means for mixing water is used in the freezing mode after the formation of a thin layer of ice on the walls of the casing for more intensive cooling of the water and accelerate the process of ice formation. The mixing of contaminated water also helps to remove air bubbles and impurity particles sorbed from them on the ice surface, as well as increase the heat transfer intensity inside the body and remove impurities dissolved in water from the phase boundary. The recrystallization modes in the heat exchanger work in the water purification system by means of an automatic control unit under the control of the corresponding sensors. The heat exchanger is integrated into the water purification system intended for use in everyday life, food industry and medicine.

Объем загрязненной воды, заливаемой в корпус теплообменного устройства, составляет 1,5-2,0 л, а объем очищенной талой воды - 1,0-1,3 л. Полный цикл очистки указанного объема воды составляет 4,5-5,5 часов, в том числе продолжительность режима замораживания воды - 2,0-2,5 часа, а таяния льда - 2,5-3,0 часа.The volume of contaminated water poured into the body of the heat exchange device is 1.5-2.0 liters, and the volume of purified melt water is 1.0-1.3 liters. The full cleaning cycle of the indicated volume of water is 4.5-5.5 hours, including the duration of the regime of freezing water - 2.0-2.5 hours, and melting ice - 2.5-3.0 hours.

Недостатком известного технического решения является большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность теплообменного устройства, обусловленные недостаточно рациональной геометрией полости в корпусе, в которой передача энергии от ее стенок к большому объему загрязненной воды замедляется пропорционально увеличению толщины намораживаемого слоя льда.A disadvantage of the known technical solution is the long duration of the water treatment process and, accordingly, the low productivity of the heat exchange device, due to the insufficiently rational geometry of the cavity in the casing, in which the energy transfer from its walls to a large volume of contaminated water slows down in proportion to the increase in the thickness of the frozen ice layer.

Известно теплообменное устройство для очистки воды методом перекристаллизации (патент № ЕА 025716, МПК(2006.01) C02F 1/22, C02F 9/02, C02F 103/04, дата публикации 30.01.2017), состоящее из внешнего и внутреннего корпусов цилиндрической формы и охлаждающего и нагревательного элементов, закрепленных на внешнем корпусе с наружной стороны. Упомянутые корпусы расположены коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевой полости между их стенками. Внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами, а внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания крышкой. При этом внутренний корпус закреплен на вертикальной стойке с образованием зазора между его нижним торцом и днищем внешнего корпуса. Последнее выполнено куполообразным с понижением от цилиндрических стенок к центру, где расположен сливной патрубок. Охлаждающий элемент выполнен в виде испарителя, а нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя. Теплообменное устройство изолировано слоем термоизоляции, расположенным с наружной стороны охлаждающего и нагревательного элементов.Known heat exchange device for water purification by recrystallization (patent No. EA 025716, IPC (2006.01) C02F 1/22, C02F 9/02, C02F 103/04, publication date 01/30/2017), consisting of external and internal cylindrical bodies and a cooling and heating elements fixed to the outer case from the outside. The said bodies are located coaxially relative to each other with the formation of an annular cavity between their walls. The inner case is made with closed ends, and the outer case is made with the possibility of hermetically locking the lid. In this case, the inner casing is mounted on a vertical strut with the formation of a gap between its lower end and the bottom of the outer casing. The latter is made domed with a decrease from the cylindrical walls to the center where the drain pipe is located. The cooling element is made in the form of an evaporator, and the heating element is made in the form of an electric heater. The heat exchanger is insulated with a thermal insulation layer located on the outside of the cooling and heating elements.

Теплообменное устройство работает попеременно в режиме замораживания загрязненной воды с образованием чистого пристеночного льда на внутренней поверхности внешнего корпуса и в режиме оттаивания пристеночного льда со сливом образовавшейся чистой воды. Особенностью очистки воды в данном теплообменном устройстве является формирование слоя воды в кольцевой полости между стенками внешнего и внутреннего корпусов. В режиме замораживания в результате воздействия охлаждающих элементов при понижении температуры стенок внешнего корпуса до температуры минус (3-4)°С вода быстро охлаждается (в течение 3-5 мин) и формируется кольцевой фронт ее кристаллизации, направленный к внутреннему корпусу. При этом вода в кольцевой полости не перемешивается в объеме из-за существенного снижения конвективных потоков, что несколько повышает интенсивность формирования слоя льда на поверхности внешнего корпуса. После слива через патрубок жидкого концентрата примесей отключают охлаждающие элементы, включают нагревательные элементы и осуществляют оттаивание кольцевого слоя льда и слив чистой талой воды в накопительную емкость. Теплообменное устройство интегрировано в систему очистки воды, предназначенную для использования в быту, пищевой промышленности и медицине. Работой режимов перекристаллизации в теплообменном устройстве управляет автоматический блок под контролем соответствующих датчиков.The heat exchanger operates alternately in the mode of freezing contaminated water with the formation of clean near-wall ice on the inner surface of the outer casing and in the mode of thawing near-wall ice with the discharge of pure water formed. A feature of water purification in this heat exchanger is the formation of a layer of water in the annular cavity between the walls of the outer and inner shells. In the freezing mode, as a result of exposure to cooling elements, when the temperature of the walls of the outer casing decreases to a temperature of minus (3-4) ° C, the water quickly cools (within 3-5 min) and an annular crystallization front forms towards the inner casing. At the same time, water in the annular cavity does not mix in volume due to a significant decrease in convective flows, which somewhat increases the intensity of the formation of an ice layer on the surface of the outer casing. After draining through the nozzle of the liquid concentrate of impurities, the cooling elements are turned off, the heating elements are turned on and the ring layer of ice is thawed and pure melt water is drained into the storage tank. The heat exchanger is integrated into the water purification system intended for use in everyday life, food industry and medicine. The operation of the recrystallization modes in the heat exchange device is controlled by an automatic unit under the control of the corresponding sensors.

Полный цикл очистки загрязненной воды в теплообменном устройстве составляет не более 4,0 часов, при этом объем очищенной воды составляет не менее 66-80% от объема загрязненной воды при уменьшении содержания неорганических примесей не менее чем в 2,5 раза. Таким образом, использование кольцевой полости для замораживания воды позволило увеличить производительность теплообменного устройства в среднем на 25% по сравнению с устройством по патенту № ЕА 017783 при примерно одинаковом процентном выходе очищенной талой воды.The full cycle of purification of contaminated water in a heat exchanger is not more than 4.0 hours, while the volume of purified water is at least 66-80% of the volume of contaminated water with a decrease in the content of inorganic impurities by at least 2.5 times. Thus, the use of an annular cavity for freezing water allowed to increase the productivity of the heat exchange device by an average of 25% compared with the device according to patent No. EA 017783 with approximately the same percentage yield of purified melt water.

Недостатком известного технического решения (как и решения по патенту № ЕА 017783) является сравнительно большая продолжительность процесса очистки воды и, соответственно, низкая производительность теплообменного устройства, обусловленные тем, что в режиме замораживания в кольцевой полости существенно замедляются конвективные процессы в загрязненной воде. При этом продолжительность режима оттаивания практически не изменяется по сравнению с устройством по патенту №ЕА017783. Кроме этого, замедление конвективных процессов в загрязненной воде существенно снижает качество льда, намораживаемого на стенках внешнего корпуса, и, соответственно, качество очищенной талой воды.A disadvantage of the known technical solution (as well as the solutions of patent No. EA 017783) is the relatively long duration of the water treatment process and, accordingly, the low productivity of the heat exchange device, due to the fact that convective processes in contaminated water significantly slow down in the freezing mode in the annular cavity. Moreover, the duration of the defrosting mode is practically unchanged compared with the device according to patent No. EA017783. In addition, the slowdown of convective processes in contaminated water significantly reduces the quality of ice frozen on the walls of the outer casing, and, accordingly, the quality of purified melt water.

Вышеуказанные недостатки известных технических решений существенно ограничивают область их использования в системах очистки воды.The above disadvantages of the known technical solutions significantly limit the scope of their use in water treatment systems.

В основу заявляемой полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции теплообменного устройства для систем очистки воды методом перекристаллизации за счет разделения кольцевой полости между внешним и внутренним корпусами на охлаждающую и рециркуляционную зоны, введения средств для интенсификации конвективных процессов в кольцевой полости в режиме замораживания воды и иного расположения охлаждающих и нагревательных элементов, что позволяет повысить производительность теплообменного устройства.The claimed utility model is based on the task of improving the design of a heat exchanger for water purification systems by recrystallization by dividing the annular cavity between the outer and inner casings into cooling and recirculation zones, introducing means to intensify convective processes in the annular cavity in the mode of water freezing and other cooling arrangements and heating elements, which improves the performance of the heat exchanger.

Технический результат от реализации поставленной задачи заключается в существенном уменьшении продолжительности режимов замораживания загрязненной воды и оттаивания льда. Указанный технический результат достигается при одновременном повышении качества очистки воды.The technical result from the implementation of the task is to significantly reduce the duration of the freezing of contaminated water and ice thawing. The specified technical result is achieved while improving the quality of water treatment.

Поставленная задача решается тем, что теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, содержащее внешний и внутренний корпусы цилиндрической формы и охлаждающие и нагревательные элементы, при этом упомянутые корпусы расположены коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевой полости между их стенками, причем внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами, а внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания крышкой и содержит сливной патрубок, согласно заявляемой полезной модели содержит перегородку цилиндрической формы, закрепленную между внешним и внутренним корпусами с образованием соответственно охлаждающей и рециркуляционной полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой и над ней, коллектор для подачи воздуха, смонтированный на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, и нагревательный элемент, закрепленный в верхней части внутреннего корпуса, при этом высота внутреннего корпуса соответствует высоте внешнего корпуса, причем внешний корпус выполнен с дополнительной внутренней стенкой цилиндрической формы, а охлаждающие и нагревательные элементы расположены между упомянутой стенкой и стенкой внешнего корпуса.The problem is solved in that the heat exchanger for the water purification method by recrystallization, containing the outer and inner shells of a cylindrical shape and cooling and heating elements, while the said shells are located coaxially relative to each other with the formation of an annular cavity between their walls, and the inner case is made with closed ends, and the outer casing is made with the possibility of hermetically locking the lid and contains a drain pipe, according to the claimed useful mode whether it contains a cylindrical baffle fixed between the outer and inner shells with the formation of cooling and recirculation cavities, respectively, communicating with each other through water under the baffle and above it, an air manifold mounted on the bottom of the outer shell in the cooling cavity, and a heating element fixed in the upper part of the inner case, the height of the inner case corresponds to the height of the outer case, and the outer case is made with additional inner walls oh cylindrical shape, and the cooling and heating elements disposed between said wall and the wall of the outer housing.

При этом целесообразно, чтобы в теплообменном устройстве соотношение высоты внешнего корпуса к его диаметру составляло 1,5-1,7, а высота перегородки составляла 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса.It is advisable that in the heat exchanger the ratio of the height of the outer casing to its diameter be 1.5-1.7, and the height of the partition is 0.8-0.9 of the height of the outer casing.

Целесообразно также, чтобы высота дополнительной внутренней стенки цилиндрической формы соответствовала высоте внешнего корпуса.It is also advisable that the height of the additional inner wall of a cylindrical shape corresponds to the height of the outer case.

Усовершенствованная конструкция теплообменного устройства для системы очистки воды методом перекристаллизации обеспечивает достижение заявляемого технического результата. В частности, деление кольцевой полости между внешним и внутренним корпусами посредством перегородки цилиндрической формы на две полости, охлаждающую и рециркуляционную, позволяет сузить зону формирования кольцевого фронта кристаллизации загрязненной воды, сместив его от внутреннего корпуса к упомянутой перегородке, и за счет этого повысить эффективность передачи энергии от стенок корпуса к объему загрязненной воды в режиме замораживания, что сокращает продолжительность этого режима. Это позволяет увеличить объем внешнего корпуса и, соответственно, объем чистой воды, полученной за один цикл очистки. Введение в конструкцию устройства коллектора для подачи воздуха, смонтированного на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, позволяет повысить интенсивностьThe improved design of the heat exchange device for the water purification system by recrystallization ensures the achievement of the claimed technical result. In particular, the division of the annular cavity between the outer and inner casings by means of a cylindrical baffle into two cavities, cooling and recirculation, makes it possible to narrow the zone of formation of the annular crystallization front of contaminated water, shifting it from the inner casing to the said baffle, and thereby increase the energy transfer efficiency from the walls of the casing to the volume of contaminated water in the freezing mode, which reduces the duration of this mode. This allows you to increase the volume of the outer casing and, accordingly, the volume of clean water obtained in one cleaning cycle. Introduction to the design of the device collector for air supply mounted on the bottom of the outer casing in the cooling cavity, allows to increase the intensity

конвективных процессов в загрязненной воде и за счет этого дополнительно уменьшить продолжительность процесса образования льда. При этом повышение интенсивности конвективных процессов одновременно улучшает качество льда на внутренней поверхности внешнего корпуса и, соответственно, качество очищенной воды, полученной в результате оттаивания этого льда. Введение нагревательного элемента, закрепленного в верхней части внутреннего корпуса, позволяет сократить продолжительность режимов замораживания и оттаивания. Выполнение внутреннего корпуса с высотой, соответствующей высоте внешнего корпуса, обеспечивает техническую реализацию вышеуказанных усовершенствований устройства.convective processes in contaminated water and thereby further reduce the duration of the ice formation process. At the same time, an increase in the intensity of convective processes simultaneously improves the quality of ice on the inner surface of the outer casing and, accordingly, the quality of purified water resulting from thawing of this ice. The introduction of a heating element fixed in the upper part of the inner casing reduces the duration of the freezing and thawing modes. The implementation of the inner case with a height corresponding to the height of the outer case, provides the technical implementation of the above improvements to the device.

Схематическое изображение конструкции устройства представлено на фигурах чертежей, где на фиг. 1 показано поперечное сечение устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема системы очистки воды с использованием теплообменного устройства.A schematic representation of the design of the device is shown in the figures of the drawings, where in FIG. 1 shows a cross section of a device; in FIG. 2 is a schematic diagram of a water purification system using a heat exchange device.

Устройство состоит (фиг. 1) из внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов цилиндрической формы, перегородки 3 цилиндрической формы, охлаждающих и нагревательных элементов 4, нагревательного элемента 5, коллектора 6 для подачи воздуха, крышки 7 и теплоизоляционного покрытия 8, закрепленного на наружной поверхности внешнего корпуса 1.The device consists (Fig. 1) of external 1 and internal 2 cylindrical bodies, cylindrical baffles 3, cooling and heating elements 4, heating element 5, collector 6 for air supply, cover 7 and heat-insulating coating 8, mounted on the outer surface of the external housing 1.

Соотношение высоты внешнего корпуса 1 к его диаметру составляет 1,5-1,7, что обеспечивает оптимальные функциональные параметры. Внешний корпус 1 содержит дополнительную внутреннюю стенку 9 цилиндрической формы, высота которой соответствует высоте внешнего корпуса 1. Полость 10 между внешним корпусом 1 и внутренней стенкой 9 заполнена незамерзающим теплопроводящим веществом. На внутренней поверхности внешнего корпуса 1 перед охлаждающими и нагревательными элементами 4 закреплено теплоотражающее покрытие (не показано). Охлаждающие и нагревательные элементы 4 выполнены в виде испарителя-конденсатора хладагента в форме змеевика, расположенного между упомянутыми стенками внешнего корпуса 1. Змеевик испарителя-конденсатора хладагента выполнен с возможностью соединения с холодильной машиной посредством патрубков 11. В зависимости от режима работы теплообменного устройства в змеевике испарителя-конденсатора циркулирует либо кипящий хладагент - режим замораживания, либо конденсирующий хладагент - режим оттаивания.The ratio of the height of the outer casing 1 to its diameter is 1.5-1.7, which ensures optimal functional parameters. The outer casing 1 contains an additional inner wall 9 of cylindrical shape, the height of which corresponds to the height of the outer casing 1. The cavity 10 between the outer casing 1 and the inner wall 9 is filled with a non-freezing heat-conducting substance. On the inner surface of the outer casing 1 in front of the cooling and heating elements 4, a heat-reflecting coating (not shown) is fixed. The cooling and heating elements 4 are made in the form of a refrigerant evaporator-condenser in the form of a coil located between the walls of the outer casing 1. The coil of the refrigerant-condenser-condenser is made with the possibility of connection with the refrigeration machine through pipes 11. Depending on the operating mode of the heat exchanger device in the evaporator coil - condenser circulates either boiling refrigerant - freezing mode, or condensing refrigerant - defrosting mode.

Внутренний корпус 2 расположен коаксиально с внешним корпусом 1 и выполнен с закрытыми торцами. Высота внутреннего корпуса 2 соответствует высоте внешнего корпуса 1. Использование внутреннего корпуса 2 позволяет образовать внутри внешнего корпуса 1 кольцевую полость между их близлежащими стенками, что существенно уменьшает продолжительность режима замораживания.The inner housing 2 is located coaxially with the outer housing 1 and is made with closed ends. The height of the inner casing 2 corresponds to the height of the outer casing 1. The use of the inner casing 2 allows the formation of an annular cavity between their adjacent walls inside the outer casing 1, which significantly reduces the duration of the freezing mode.

Перегородка 3 закреплена между внешним 1 и внутренним 2 корпусами с образованием соответственно охлаждающей 12 и рециркуляционной 13 полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой 3 и над ней. Высота перегородки 3 составляет 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса 1, что обеспечивает возможность свободной циркуляции воды в режиме замораживания. Использование перегородки 3 позволяет в режиме замораживания ограничить фронт кристаллизации воды достаточно узким пространством охлаждающей полости 12, что дополнительно уменьшает продолжительность режима охлаждения и, при этом, позволяет увеличить объем воды, заливаемой в устройство для очистки.The partition 3 is fixed between the outer 1 and inner 2 bodies with the formation of cooling 12 and recirculation 13 cavities, respectively, communicating with each other through water under the partition 3 and above it. The height of the partition 3 is 0.8-0.9 of the height of the outer casing 1, which allows free circulation of water in the freezing mode. The use of the partition 3 allows in the freezing mode to limit the front of water crystallization to a sufficiently narrow space of the cooling cavity 12, which further reduces the duration of the cooling mode and, at the same time, allows to increase the volume of water poured into the cleaning device.

Нагревательный элемент 5 закреплен в верхней части внутреннего корпуса 2 и выполнен в виде электронагревателя или трубчатого конденсатора хладагента с капиллярной трубкой для отвода горячего пара хладагента (не показана).The heating element 5 is fixed in the upper part of the inner casing 2 and is made in the form of an electric heater or a tubular refrigerant condenser with a capillary tube to remove hot refrigerant vapor (not shown).

Коллектор 6 для подачи воздуха смонтирован в днище внешнего корпуса 1 в охлаждающей полости 12. В крышке 7 над рециркуляционной полостью 13 выполнены патрубок 14 для залива загрязненной воды и воздушный клапан 15. Патрубок 16 для слива концентрата загрязненной воды после льдообразования и слива очищенной воды выполнен на днище внешнего корпуса 1 в упомянутой полости 13.The collector 6 for air supply is mounted in the bottom of the outer casing 1 in the cooling cavity 12. In the lid 7 above the recirculation cavity 13 there is a pipe 14 for filling in contaminated water and an air valve 15. A pipe 16 for draining the contaminated water concentrate after ice formation and draining the purified water is made the bottom of the outer casing 1 in said cavity 13.

Внешний 1 и внутренний 2 корпусы, перегородка 3 и стенка 9 выполнены из теплопроводящего материала. При этом перегородка 3 и внутренняя стенка 9 являются эквипотенциальными поверхностями: перегородка 3 - со знаком «плюс» или «минус», а стенка 9 - соответственно со знаком «минус» или «плюс», в зависимости от этапа очистки.The outer 1 and inner 2 cases, the partition 3 and the wall 9 are made of heat-conducting material. In this case, the partition 3 and the inner wall 9 are equipotential surfaces: the partition 3 is with a plus or minus sign, and the wall 9 is with a minus or plus sign, respectively, depending on the stage of cleaning.

Теплообменное устройство работает следующим образом.The heat exchange device operates as follows.

Работа теплообменного устройства поясняется на примере его использования в системе очистки воды.The operation of the heat exchange device is illustrated by the example of its use in a water treatment system.

Система содержит (фиг. 2), по меньшей мере: блок управления 17, холодильную машину, состоящую из компрессора 18 и конденсатора 19, водяные электромагнитные клапаны 20, 21 и электромагнитные клапаны 22 хладагента, датчик температуры 23, емкости 24 и 25, соответственно для сброса концентрата загрязненной воды и для очищенной воды, и компрессор сжатого воздуха 26. Блок управления 17 осуществляет управление системой в автоматическом режиме в соответствии с заданным алгоритмом программы. Вышеуказанный состав системы является условным и приведен исключительно для пояснения принципа работы теплообменного устройства в попеременных режимах замораживания и оттаивания.The system comprises (Fig. 2) at least: a control unit 17, a refrigeration machine consisting of a compressor 18 and a condenser 19, water solenoid valves 20, 21 and refrigerant solenoid valves 22, a temperature sensor 23, tanks 24 and 25, respectively discharge of contaminated water concentrate for purified water, and a compressed air compressor 26. The control unit 17 controls the system in automatic mode in accordance with a predetermined program algorithm. The above composition of the system is conditional and is provided solely to explain the principle of operation of the heat exchange device in alternate modes of freezing and thawing.

Загрязненную, например, водопроводную воду, предварительно очищенную от механических примесей, через клапан 21 и патрубок 14 подают в кольцевые охлаждающую 12 и рециркуляционную 13 полости. После заполнения указанных полостей блок управления 17 посредством заданной программы включает компрессор 18 и жидкий хладагент с заданной температурой через патрубок 11 поступает в змеевик испарителя-конденсатора хладагента. Проходя по змеевику, хладагент охлаждает загрязненную воду и нагревается в результате теплообмена. Пар хладагента выводят через второй патрубок И. При охлаждении внутренней стенки 9 внешнего корпуса 1 до температуры от минус 3°С до минус 35°С загрязненная вода в охлаждающей полости 12 начинает быстро охлаждаться с одновременным формированием кольцевого фронта кристаллизации, направленного от внутренней стенки 9 к перегородке 3. Процесс охлаждения загрязненной воды контролирует датчик температуры 23, связанный с блоком управления 17. В соответствии с заданной программой блок управления 17 исключает возможность критического понижения температуры в охлаждающей полости 12, которое может привести к кристаллизации загрязненной воды с повышенным содержанием органических и неорганических примесей, что существенно снижает качество льда и, соответственно, очищенной воды. В результате охлаждения загрязненной воды ее плотность вдоль внутренней стенки 9 уменьшается (до 998,6÷998,8 кг/м³), что вызывает слабую естественную циркуляцию между смежными полостями 12 и 13, т.к. плотность воды в полости 13 не изменяется и составляет около 1000 кг/м³. После формирования тонкого слоя льда на поверхности внутренней стенки 9 блок управления 17 включает компрессор 26 для подачи сжатого воздуха в охлаждающую полость 12 через коллектор 6. В заданный алгоритмом программы момент блок управления 17 включает на непродолжительное время нагревательный элемент 5. Подача воздуха в охлаждающую полость 12 со стороны днища и одновременный непродолжительный подогрев воды в верхней части рециркуляционной полости 13 повышают интенсивность вертикальной циркуляции загрязненной воды, что способствует более быстрому ее охлаждению и росту чистого и прозрачного слоя льда. При этом обеспечивается снижение градиента примесей на границе лед-вода и уменьшается межкристаллическое загрязнение льда солями и взвесями. В режиме замораживания теплоизоляционное покрытие 8 и теплоотражающее покрытие, расположенные на противоположных поверхностях наружной стенки внешнего корпуса 1, повышают эффективность теплопередачи от охлаждающих элементов 4 к загрязненной воде, что также уменьшает продолжительность режима замораживания. Кроме этого, повышению эффективности теплопередачи способствует заполнение полости 10 незамерзающим теплопроводящим веществом. После завершения формирования слоя чистого пристеночного льда заданной толщины блок управления 17 включает соответствующий электромагнитный клапан 20 и незамерзший жидкий концентрат загрязненной воды, содержащий механические примеси и большое количество солей, через патрубок 16 сливается в емкость 24 для последующей утилизации. Продолжительность режима замораживания составляет 0,2-2,0 часа.Contaminated, for example, tap water, previously purified from mechanical impurities, through the valve 21 and the pipe 14 is fed into the annular cooling 12 and recirculation 13 cavity. After filling these cavities, the control unit 17, by means of a predetermined program, includes a compressor 18 and liquid refrigerant with a predetermined temperature through the pipe 11 enters the coil of the evaporator-condenser of the refrigerant. Passing through the coil, the refrigerant cools the contaminated water and heats up as a result of heat exchange. The refrigerant vapor is discharged through the second pipe I. When cooling the inner wall 9 of the outer casing 1 to a temperature of minus 3 ° C to minus 35 ° C, the contaminated water in the cooling cavity 12 begins to cool rapidly with the formation of an annular crystallization front directed from the inner wall 9 to the partition 3. The process of cooling contaminated water is controlled by a temperature sensor 23 connected to the control unit 17. In accordance with a predetermined program, the control unit 17 eliminates the possibility of a critical decrease in the rate perature in the cooling chamber 12, which may lead to crystallization of contaminated water with a high content of organic and inorganic impurities, which considerably reduces the quality of the ice and thus purified water. As a result of cooling contaminated water, its density along the inner wall 9 decreases (to 998.6 ÷ 998.8 kg / m ³ ), which causes a weak natural circulation between adjacent cavities 12 and 13, because the density of water in the cavity 13 does not change and is about 1000 kg / m ³ . After the formation of a thin layer of ice on the surface of the inner wall 9, the control unit 17 includes a compressor 26 for supplying compressed air to the cooling cavity 12 through the manifold 6. At a time specified by the program algorithm, the control unit 17 turns on the heating element 5 for a short time. Air supply to the cooling cavity 12 from the bottom and simultaneous brief heating of water in the upper part of the recirculation cavity 13 increase the intensity of vertical circulation of contaminated water, which contributes to more stroma and increased its cooling and clean the transparent layer of ice. This ensures a decrease in the gradient of impurities at the ice-water interface and intercrystalline pollution of ice with salts and suspensions decreases. In the freezing mode, the heat-insulating coating 8 and the heat-reflecting coating located on opposite surfaces of the outer wall of the outer casing 1 increase the efficiency of heat transfer from the cooling elements 4 to the contaminated water, which also reduces the duration of the freezing mode. In addition, increasing the efficiency of heat transfer contributes to the filling of the cavity 10 with a non-freezing heat-conducting substance. After completion of the formation of a layer of clean wall ice of a given thickness, the control unit 17 includes a corresponding solenoid valve 20 and an unfrozen liquid concentrate of contaminated water containing mechanical impurities and a large amount of salts, is discharged through a pipe 16 into a container 24 for subsequent disposal. The duration of the freezing mode is 0.2-2.0 hours.

Далее блок управления 17 переключает теплообменное устройство в режим оттаивания льда. В этом режиме через змеевик испарителя-конденсатора хладагента начинает циркулировать конденсирующийся хладагент, что приводит к быстрому нагреванию стенки 9 до температуры не выше плюс 10°С, соответствующей природным условиям таяния льда. Талая вода скапливается в нижней части внешнего корпуса 1 и через открытый соответствующий электромагнитный клапан 20 и патрубок 16 сливается в накопительную емкость 25. Продолжительность режима оттаивания составляет около 0,5 часа.Next, the control unit 17 switches the heat exchanger into the ice defrosting mode. In this mode, condensing refrigerant begins to circulate through the coil of the evaporator-condenser of the refrigerant, which leads to the rapid heating of the wall 9 to a temperature not exceeding + 10 ° С, corresponding to the natural conditions of ice melting. Melt water accumulates in the lower part of the outer casing 1 and through the corresponding open solenoid valve 20 and the pipe 16 is discharged into the storage tank 25. The duration of the defrosting mode is about 0.5 hours.

Для очистки воды с высоким уровнем загрязнения дополнительно используют эффект электрофореза, который образуется в охлаждающей полости 12 между эквипотенциальными поверхностями перегородки 3 и внутренней стенки 9 при подключении их к внешнему источнику постоянного тока. При этом перегородку 3 подключают к положительному контакту, а стенку 9 - к отрицательному или наоборот. Согласно опытным данным эффект электрофореза позволяет в процессе образования льда уменьшить содержание в нем нежелательных примесей в диапазоне от 40% до 90%.To purify water with a high level of contamination, an electrophoresis effect is additionally used, which is formed in the cooling cavity 12 between the equipotential surfaces of the partition 3 and the inner wall 9 when they are connected to an external direct current source. In this case, the partition 3 is connected to the positive contact, and the wall 9 to the negative or vice versa. According to experimental data, the effect of electrophoresis during the formation of ice allows to reduce the content of undesirable impurities in it in the range from 40% to 90%.

Полный цикл очистки воды в теплообменном устройстве составляет 2,0-2,5 часа, что существенно меньше, чем в известных технических решениях. При этом повышение качества очистки воды достигается за счет сочетания следующих факторов: уменьшения толщины фронта кристаллизации, протекания процесса кристаллизации воды на цилиндрической поверхности стенки и циркуляции воды в процессе кристаллизации.The full cycle of water purification in the heat exchanger is 2.0-2.5 hours, which is significantly less than in the known technical solutions. Moreover, improving the quality of water treatment is achieved by combining the following factors: reducing the thickness of the crystallization front, the process of crystallization of water on a cylindrical wall surface and the circulation of water during crystallization.

Заявляемая конструкция теплообменного устройства апробирована в одно- и двухступенчатых системах очистки водопроводной, технической, засоленной и морской (с содержанием солей до 4,5%) воды. Результаты апробации подтвердили заявленный технический результат. Сочетание в устройстве достаточно большой производительности и высокого качества очистки воды позволяет использовать его в системах очистки воды с широким диапазоном загрязнений органическими и неорганическими веществами.The inventive design of the heat exchanger has been tested in one and two-stage purification systems for tap, technical, saline and sea (with salt content up to 4.5%) water. Testing results confirmed the claimed technical result. The combination of a sufficiently large productivity and high quality water purification in the device allows its use in water purification systems with a wide range of pollution by organic and inorganic substances.

Claims (3)

1. Теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации, содержащее внешний и внутренний корпусы цилиндрической формы и охлаждающие и нагревательные элементы, при этом упомянутые корпусы расположены коаксиально друг относительно друга с образованием кольцевой полости между их стенками, причем внутренний корпус выполнен с закрытыми торцами, а внешний корпус выполнен с возможностью герметичного запирания крышкой и содержит сливной патрубок, отличающееся тем, что оно содержит перегородку цилиндрической формы, закрепленную между внешним и внутренним корпусами с образованием соответственно охлаждающей и рециркуляционной полостей, сообщающихся между собой по воде под перегородкой и над ней, коллектор для подачи воздуха, смонтированный на днище внешнего корпуса в охлаждающей полости, и нагревательный элемент, закрепленный в верхней части внутреннего корпуса, при этом высота внутреннего корпуса соответствует высоте внешнего корпуса, причем внешний корпус выполнен с дополнительной внутренней стенкой цилиндрической формы, а охлаждающие и нагревательные элементы расположены между упомянутой стенкой и стенкой внешнего корпуса.1. A heat exchange device for a water treatment system by recrystallization, containing the outer and inner shells of a cylindrical shape and cooling and heating elements, said shells being arranged coaxially with respect to each other with the formation of an annular cavity between their walls, the inner case being made with closed ends, and the outer case is made with the possibility of hermetically locking the lid and contains a drain pipe, characterized in that it contains a cylindrical baffle, fastened between the outer and inner cases with the formation of cooling and recirculation cavities, respectively, communicating with each other through water under the partition and above it, an air manifold mounted on the bottom of the outer case in the cooling cavity, and a heating element fixed in the upper part of the inner case, the height of the inner case corresponds to the height of the outer case, and the outer case is made with an additional inner wall of cylindrical shape, and cooling and heating Native elements are located between the said wall and the wall of the outer casing. 2. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение высоты внешнего корпуса к его диаметру составляет 1,5-1,7, а высота перегородки составляет 0,8-0,9 от высоты внешнего корпуса.2. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the ratio of the height of the outer casing to its diameter is 1.5-1.7, and the height of the partition is 0.8-0.9 of the height of the outer casing. 3. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что высота дополнительной внутренней стенки цилиндрической формы соответствует высоте внешнего корпуса.3. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the height of the additional inner wall of a cylindrical shape corresponds to the height of the outer casing.

Images