RU2583237C2 - Domestic device for water disinfection - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: device comprises a recuperative counterflow heat exchanger 1. Heat exchanger channels are connected via a chamber 2, having an electric heater 3. In the chamber water is disinfected at temperature above 100°C. High efficiency of heat exchange is achieved by filling of channels with a filling 4 from silver-plated copper granules. Granules are pressed in channels to increase heat conductivity of the filling.

EFFECT: invention makes it possible to produce cold boiled water with least expenses of time and electric energy.

4 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к устройствам для обеззараживания (стерилизации) воды, а именно обеззараживания потока воды физическими методами, конкретно - к бытовым аппаратам для получения кипяченой питьевой воды, может быть использовано для получения холодной кипяченой питьевой воды путем стерилизации водопроводной воды.The invention relates to a device for disinfecting (sterilizing) water, namely disinfecting a water stream by physical methods, in particular, to household apparatus for producing boiled drinking water, can be used to produce cold boiled drinking water by sterilizing tap water.

Основное назначение аппарата - получение холодной кипяченой воды с наименьшими затратами времени и энергии.The main purpose of the apparatus is to obtain cold boiled water with the least expenditure of time and energy.

Уровень техникиState of the art

Известны способы обеззараживания питьевой воды химическими и физическими методами. К физическим относятся ультрафиолетовое облучение, ультразвуковая обработка воды, температурная обработка. Аппараты для реализации обеззараживания воды делятся на промышленные и бытовые.Known methods of disinfecting drinking water by chemical and physical methods. The physical ones include ultraviolet radiation, ultrasonic treatment of water, and temperature treatment. Devices for the implementation of water disinfection are divided into industrial and domestic.

Известны бытовые устройства схожего назначения - кулеры, электрические чайники, кипятильники, водогрейные колонки (титаны), бытовые проточные водонагреватели и другие.Household devices of a similar purpose are known - coolers, electric kettles, boilers, water heaters (titans), domestic instantaneous water heaters, and others.

Наибольшее распространение имеют электрические чайники. Электрические чайники состоят из сосуда, обычно емкостью 1.5-2 литра, со встроенным нагревателем типа ТЭН и управляющими и предохранительными устройствами (например, Electric kettle with foam heat preservation layer. Патент CN103735154 (A), 2014.04.23). Для достижения обозначенной цели, т.е. получения холодной кипяченой воды, с помощью электрического чайника требуется осуществить следующую последовательность действий: налить воду в чайник, вскипятить ее, охладить воду. Затраты электроэнергии превышают 100 ккал на 1 литр воды, а время на охлаждение составляет около 1 часа.The most common are electric kettles. Electric kettles consist of a vessel, usually with a capacity of 1.5-2 liters, with a built-in heater type TEN and control and safety devices (for example, Electric kettle with foam heat preservation layer. Patent CN103735154 (A), 2014.04.23). To achieve the designated goal, i.e. receiving cold boiled water, using an electric kettle, the following sequence of actions is required: pour water into the kettle, boil it, cool the water. Electricity costs exceed 100 kcal per 1 liter of water, and the cooling time is about 1 hour.

Недостатками этого типа устройств, с точки зрения ограниченной задачи обеззараживания воды, является высокий расход энергии и значительное время охлаждения или высокая температура воды по окончании процесса.The disadvantages of this type of device, from the point of view of the limited task of water disinfection, is the high energy consumption and significant cooling time or high water temperature at the end of the process.

Известны также устройства-кулеры, предназначенные для приготовления и розлива холодной и горячей питьевой воды. Эти устройства используют готовую питьевую воду и не предназначены для обеззараживания воды путем кипячения. Максимальная температура нагрева воды в них не превышает 95°С. Причем нагретая вода разливается горячей, холодная не подвергается обработке высокой температурой. Пример - LC-AEL-280b, описание на сайте http://www.cooler-ok.ru/index.php?ukey=auxpage_instrukcii-k-kuleram-dlja-vody.Cooler devices are also known for the preparation and bottling of cold and hot drinking water. These devices use ready-made drinking water and are not intended to disinfect water by boiling. The maximum temperature of water heating in them does not exceed 95 ° C. Moreover, heated water is poured hot, cold is not subjected to high temperature treatment. An example is LC-AEL-280b, a description on the website http://www.cooler-ok.ru/index.php?ukey=auxpage_instrukcii-k-kuleram-dlja-vody.

Известное устройство требует готовой питьевой воды и не решает поставленную задачу - обеззараживание водопроводной воды.The known device requires ready-made drinking water and does not solve the task - disinfection of tap water.

Известны также устройства для быстрой пастеризации молока путем краткосрочного нагрева. Устройства включают трубопровод, по которому с постоянной скоростью движется поток жидкости (молока), и СВЧ-излучатели. СВЧ-излучатели обеспечивают быстрый и равномерный прогрев молока в непрерывном потоке (патент РФ №2101884; патент RU 2118886).Devices for the rapid pasteurization of milk by short-term heating are also known. The devices include a pipeline through which a stream of liquid (milk) moves at a constant speed, and microwave emitters. Microwave emitters provide fast and uniform heating of milk in a continuous stream (RF patent No. 2101884; patent RU 2118886).

Недостатком устройства для бытовых целей стерилизации воды является высокий расход энергии и вредное электромагнитное излучение, а также высокая стоимость СВЧ-излучателей.The disadvantage of the device for domestic purposes of water sterilization is the high energy consumption and harmful electromagnetic radiation, as well as the high cost of microwave emitters.

Известны аппараты, решающие задачу полностью автоматической тепловой стерилизации воды (CN 2933223 (Y), 2007.08.15), включающие резервуары для теплой и горячей воды, котлы с электрическим нагревателем, водопроводные каналы и краны, реле уровня теплой и холодной воды, электромагнитные клапаны горячей и холодной воды, систему автоматического управления, датчики температуры, генератор озона и многое другое. Это устройство обеспечивает стерилизацию воды при различных уровнях атмосферного давлении, то есть решает поставленную задачу, но сложно, громоздко и дорого, что ограничивает возможность его применения в быту.Known devices that solve the problem of fully automatic thermal sterilization of water (CN 2933223 (Y), 2007.08.15), including tanks for warm and hot water, boilers with an electric heater, water channels and taps, level switches for warm and cold water, solenoid valves for hot and cold water, an automatic control system, temperature sensors, an ozone generator and much more. This device provides sterilization of water at various levels of atmospheric pressure, that is, it solves the problem, but it is difficult, cumbersome and expensive, which limits the possibility of its use in everyday life.

За прототип принят бытовой прибор - электрический проточный нагреватель воды. Подобные устройства во множестве вариантов присутствуют на рынке, например водонагреватель ATMOR BASIC или Novel household water heater, патент CN 203413807 (U), 2014.01.29, устройство описано на сайте «Теплота» (http://teplota.kh.ua/01/kak-ustroen-protochnik-thermex-stream-vnutrennee-ustrojstvo-protochnogo-vodonagrevatelya-termeks/), или устройство по патенту CN 203413807 (U) - 2014-01-29.A household appliance is accepted as a prototype - an electric flowing water heater. Similar devices are available on the market in many variants, for example, ATMOR BASIC water heater or Novel household water heater, patent CN 203413807 (U), 2014.01.29, the device is described on the Heat website (http://teplota.kh.ua/01/ kak-ustroen-protochnik-thermex-stream-vnutrennee-ustrojstvo-protochnogo-vodonagrevatelya-termeks /), or device according to patent CN 203413807 (U) - 2014-01-29.

Устройства предназначены для подогрева потока воды в бытовых условиях. Включают канал для потока воды, подключение к водопроводу, электронагреватель, установленный на или в канале водовода, автомат включения-отключения нагревателя, предохранитель от перегрева. Устройство работает следующим образом. При отсутствии потока воды в канале устройства или отсутствии давления в водоводе нагреватель отключен, и устройство находится в нерабочем состоянии. Если по каналу движется вода, то автомат включает нагреватель, и на выходе из канала температура воды поднимается. При перекрытии потока нагреватель отключается, и подогреватель переходит в "ждущее" состояние.The devices are designed to heat the flow of water in a domestic environment. They include a channel for water flow, a connection to a water supply system, an electric heater installed on or in a water channel, an automatic heater on / off switch, and a fuse for overheating. The device operates as follows. In the absence of water flow in the channel of the device or the absence of pressure in the water conduit, the heater is turned off and the device is inoperative. If water moves through the channel, the machine switches on the heater, and at the outlet of the channel, the water temperature rises. When the flow is blocked, the heater is turned off, and the heater goes into a “standby” state.

Эти устройства наиболее близки по технической сущности, но не предназначены для нагрева воды выше 90°С и не могут быть использованы для температурной стерилизации водопроводной воды.These devices are closest in technical essence, but are not intended for heating water above 90 ° C and cannot be used for temperature sterilization of tap water.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Устройство, являющееся объектом настоящего изобретения, предназначено для получения в бытовых условиях потока холодной или теплой воды, стерилизованной путем нагрева до температуры выше 100°С, с минимальными затратами энергии и времени.The device, which is the object of the present invention, is intended to obtain in a domestic stream of cold or warm water, sterilized by heating to a temperature above 100 ° C, with minimal energy and time.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного технического решения устройство содержит рекуперативный противоточный теплообменник, каналы которого соединены через перегреватель, как показано на чертеже. Конструктивно устройство выполнено в виде теплообменника труба в трубе или пластинчатого теплообменника, входящий канал служит для подогрева поступающей из водопровода воды, а исходящий служит для охлаждения стерилизованной воды и имеет сужение на участке между теплообменной зоной и выходом из устройства, а также перегреватель небольшой мощности, расположенный между подогревающей и теплосъемной частями теплообменника. Сужение может быть выполнено в виде диафрагмы, капилляра, вентиля, крана или их комбинации. Для безопасности устройство дополняет регулятор температуры перегревателя, датчик потока воды, связанный с выключателем нагревателя. Для увеличения эффективности теплообменника типа труба в трубе при ограниченных габаритах изделия внутренний объем теплообменника заполнен гранулированным материалом с хорошей теплопроводностью. Могут быть использованы медь, серебро или, например, графит. Хороший результат дают посеребренные медные шарики, подпрессованные в трубе и межтрубном пространстве теплообменника так, что в точках контакта шариков между собой и шариков со стенками площадь контакта увеличена за счет пластической деформации материала.The problem is solved in that, in contrast to the known technical solution, the device contains a regenerative countercurrent heat exchanger, the channels of which are connected through a superheater, as shown in the drawing. Structurally, the device is made in the form of a pipe heat exchanger in a pipe or a plate heat exchanger, the inlet channel serves to heat the water coming from the water supply, and the outgoing channel serves to cool sterilized water and has a narrowing in the area between the heat exchange zone and the outlet of the device, as well as a small power superheater located between the heating and heat removal parts of the heat exchanger. The constriction can be made in the form of a diaphragm, capillary, valve, tap, or a combination thereof. For safety, the device complements the superheater temperature controller, a water flow sensor associated with the heater switch. In order to increase the efficiency of a pipe-in-pipe heat exchanger with limited product dimensions, the internal volume of the heat exchanger is filled with granular material with good thermal conductivity. Copper, silver or, for example, graphite can be used. Silver plated copper balls pressed in the pipe and annular space of the heat exchanger give a good result so that at the points of contact between the balls and the balls with the walls, the contact area is increased due to plastic deformation of the material.

Устройство работает следующим образом. Холодная вода подается в рекуперационный теплообменник, например, типа труба в трубе. В теплообменнике организована теплопередача между встречно направленными потоками, с минимальной разностью температур между ними. На выходе из первого, по ходу потока воды, канала теплообменника подогретый поток воды попадает в перегреватель, к которому подводится тепло от электрического нагревателя. Благодаря сужению давление в перегревателе выше атмосферного и приближается к давлению воды в водопроводе. В перегревателе температура воды поднимается немного выше 100°С, при этом вода стерилизуется. Затем горячая вода отдает тепло во втором канале вышеописанного теплообменника.The device operates as follows. Cold water is supplied to a heat recovery heat exchanger, such as a pipe-in-pipe type. In the heat exchanger heat transfer between counter-directed flows is organized, with a minimum temperature difference between them. At the exit from the first, along the flow of water, channel of the heat exchanger, the heated stream of water enters the superheater, to which heat is supplied from an electric heater. Due to the narrowing, the pressure in the superheater is above atmospheric and approaches the pressure of the water in the water supply. In the superheater, the water temperature rises slightly above 100 ° C, while the water is sterilized. Then hot water gives off heat in the second channel of the heat exchanger described above.

На чертеже представлен простейший вариант реализации устройства, включающий теплообменник 1, перегревательную камеру 2 с электрическим нагревателем 3, подводящий водопровод 5, кран 6, сужение канала в виде капилляра 7, управляющую аппаратуру в составе терморегулятора 8 и датчика потока 9 в виде дифференциального манометра, связанного с электрическим реле. Каналы теплообменника заполнены насадкой 4, обладающей высокой теплопроводностью.The drawing shows the simplest embodiment of the device, including a heat exchanger 1, a superheating chamber 2 with an electric heater 3, a water supply pipe 5, a tap 6, a channel narrowing in the form of a capillary 7, control equipment as part of a temperature regulator 8 and a flow sensor 9 in the form of a differential pressure gauge connected with electric relay. The heat exchanger channels are filled with a nozzle 4 having high thermal conductivity.

Конструктивно устройство схоже с прототипом, но отличается выполняемой задачей и наличием рекуперационного теплообменника со встречными потоками теплоносителя, предназначенного не только для экономии энергии, но и для охлаждения обеззараженной воды. Дополнительные отличия - это сужение перед теплообменником или перед перегревателем для предотвращения гидроударов в водопроводе, дополнительный объем, расположенный после перегревателя для увеличения времени стерилизации, не менее одного сужения после перегревателя для предотвращения выбросов пара, гидроударов и для стабилизации скорости потока. Датчик потока воды может быть выполнен в виде дифференциального манометра, включенного между входом первого канала теплообменника и выходом второго канала и связанного с электрическим реле. Теплоизоляция вокруг теплообменника и перегревателя обеспечивает высокую энергетическую эффективность устройства.Structurally, the device is similar to the prototype, but differs in the task and the presence of a recovery heat exchanger with oncoming coolant flows, designed not only to save energy, but also to cool decontaminated water. Additional differences are the restriction in front of the heat exchanger or in front of the superheater to prevent water hammer in the water supply, the additional volume located after the superheater to increase sterilization time, at least one restriction after the superheater to prevent steam and water hammer emissions and to stabilize the flow rate. The water flow sensor can be made in the form of a differential pressure gauge connected between the input of the first channel of the heat exchanger and the output of the second channel and connected to an electric relay. Thermal insulation around the heat exchanger and superheater provides high energy efficiency of the device.

Для обеспечения высокой экономичности устройства и низкой температуры воды на выходе желательно добиться разности температур между каналами теплообменника на более 5°С. Эффективность теплообмена может быть повышена увеличинием поверхности теплопередачи путем заполнения каналов теплообменника насадкой из гранул вещества с высокой теплопроводностью. Из металлов можно использовать медь или серебро. Использование серебра приводит к значительному увеличению стоимости изделия, поэтому компромиссным вариантом может служить медь, покрытая серебром. Ионы серебра благотворно влияют на питьевую воду, предотвращая развитие в ней микроорганизмов различной природы. Насадка из покрытых серебром гранул меди решает две задачи - увеличение эффективности теплообменника и увеличение срока годности прошедшей обеззараживание воды. Подпрессовка насадки позволяет увеличить эффективную поверхность теплопередачи между гранулами и улучшает работу теплообменника.To ensure high efficiency of the device and low temperature of the water at the outlet, it is desirable to achieve a temperature difference between the channels of the heat exchanger by more than 5 ° C. The heat transfer efficiency can be increased by increasing the heat transfer surface by filling the channels of the heat exchanger with a nozzle from granules of a substance with high thermal conductivity. Of metals, copper or silver can be used. The use of silver leads to a significant increase in the cost of the product, so copper coated with silver can be a compromise. Silver ions have a beneficial effect on drinking water, preventing the development of microorganisms of various nature in it. A nozzle made of silver-coated copper granules solves two problems - increasing the efficiency of the heat exchanger and increasing the shelf life of the disinfected water. Pressing the nozzle allows you to increase the effective heat transfer surface between the granules and improves the operation of the heat exchanger.

Claims (4)

1. Бытовое устройство для обеззараживания воды, включающее канал для потока воды, подключение к водопроводу, электронагреватель, установленный на или в канале, автомат включения-отключения нагревателя, предохранитель от перегрева, отличающееся тем, что включает рекуперативный противоточный теплообменник, каналы которого соединены между собой через перегреватель, содержащий электрический нагреватель, причем канал, расположенный по потоку воды после перегревателя, снабжен сужающим устройством.1. A household device for disinfecting water, including a channel for water flow, connection to a water supply system, an electric heater installed on or in a channel, an automatic heater on / off switch, an overheat protection device, characterized in that it includes a regenerative counterflow heat exchanger whose channels are interconnected through a superheater containing an electric heater, the channel located along the water stream after the superheater is equipped with a constricting device. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каналы теплообменника заполнены медными гранулами.2. The device according to claim 1, characterized in that the heat exchanger channels are filled with copper granules. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гранулы имеют форму, близкую к сферической, и подпрессованы в каналах теплообменника.3. The device according to p. 2, characterized in that the granules have a shape close to spherical, and prepressed in the channels of the heat exchanger. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что медные гранулы покрыты серебром. 4. The device according to p. 2, characterized in that the copper granules are coated with silver.