專利名稱:水的凈化設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及用除氣和蒸餾的方法以除去水中所溶的各種氣體和固體的水的凈化領(lǐng)域。
世界許多地區(qū)均存在來自自然界和人為的嚴重水污染問題。美國西部的部分地區(qū)和世界其他許多地區(qū)都有二氧化硫、硫化氫和其他各種氣體以及無機化合物含量很高的水存在，使這種水至少難以入口，甚至根本不能飲用，除非進行代價昂貴的凈化處理。其他海岸地區(qū)雖有可容易得到的豐富的海水水源，但淡水很少。還有一些地區(qū)雖然有水源，但已被化工廢料逐漸污染，以至必須進行大面積的凈化處理才能再次為人類使用。本發(fā)明的目的是使這種水得以凈化，并對這許多污染問題提供切實有效的經(jīng)濟的解決辦法。
水的凈化方法通常包括三個典型步驟。其一是用蒸餾的方法除去水中所溶的固態(tài)物質(zhì)。另一凈化步驟是把能夠通過蒸餾過程的溶解在水中的氣體除去。因此，除氣步驟最好在蒸餾步驟之前進行。在許多凈化程序中，這兩步已經(jīng)足夠，然而在需要高純度水的地方，還需要去除帶電離子，這些離子如果不用其他方法除去，它們還能通過蒸餾過程。為了生產(chǎn)這種高純度的水以滿足醫(yī)用需要和研究工作使用，去除這些離子是非常必要的。
由于許多凈化工程需要生產(chǎn)大量的凈水，因此提高能源利用效率來完成凈化過程和降低凈化過程的能源需求是至關(guān)重要的。
通過蒸餾使水凈化的方法是眾所周知的。人們也知道用降低水面上的大氣壓力以排除水中氣體的方法;這種除氣系統(tǒng)可見美國專利4407665號。人們還了解，開動與蒸餾系統(tǒng)相連接的除氣裝置，用降低蒸餾裝置中的大氣壓力使水的沸點降低，從而使其在較低的溫度下用較少的能耗更快和更經(jīng)濟地使水蒸發(fā)。本發(fā)明將除氣和蒸餾兩個凈化過程進一步合并到所提供的一臺裝置中，從而可利用除氣過程中失去的能量來輔助后面的蒸餾步驟。
本發(fā)明提出了一種水的凈化裝置，包括相互協(xié)同工作的一臺除氣裝置和一臺蒸餾裝置，其中每一臺裝置在工作過程中都利用到局部真空。除氣裝置利用局部真空從水中除去溶解的氣體，而蒸餾裝置利用局部真空去降低水的沸點，以便在較低的溫度下進行急速蒸發(fā)。
盡管眾所周知用真空泵或?qū)⒄麴s裝置置于高海拔位置以降低蒸餾設(shè)備中的大氣壓力，但本發(fā)明卻是利用了豎直除氣塔中水的落差來形成水面上的局部真空，從而避免了連續(xù)開動真空泵的耗費。該設(shè)備也可將降低壓力的效果傳到蒸餾裝置，因而在蒸餾裝置穩(wěn)態(tài)工作時對真空泵的需求大為降低。
本發(fā)明利用與除氣塔有關(guān)的熱交換現(xiàn)象來提高下一步蒸餾步驟的效率，從而降低了對能量的需求。業(yè)已清楚，在除氣步驟進行期間，被除去的氣體在排除過程中得到加熱，而與此同時，由于氣體的排除，水就被冷卻。本發(fā)明利用這種熱交換現(xiàn)象，通過被加熱的氣體穿過位于蒸餾裝置中的熱交換器進行循環(huán)而將熱量由氣體傳遞到水中而使水蒸發(fā)，從而有助于下一步蒸餾過程。同時，由除氣步驟產(chǎn)生的冷卻液體環(huán)流到蒸餾裝置，用來使該蒸發(fā)過程產(chǎn)生的水蒸汽冷凝。
本發(fā)明還給出一個離子去除裝置，它同蒸餾裝置合在一起，用位于沸騰器中水蒸汽路徑上的電磁場使得從蒸汽中分離，將它們引向正極和負極。磁場還穿過沸騰器中的液體，在沸騰過程中，沸騰器中各處游蕩的金屬離子就同磁場相互作用而被感應加熱，因此進一步將熱量傳遞給沸騰器，從而有助于蒸餾過程。
聯(lián)系附圖從以下的描述中將更清楚本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點，圖中相同標號代表幾個視圖的相同部件或類似部件。
圖1是水凈化設(shè)備第一個實施例的部分斷面圖。
圖2是沿圖1中2-2切面方向所示的圖1中的離子去除裝置的斷面頂視圖。
圖3是沿圖2中3-3切面方向所示的圖2中的離子去除裝置的斷面?zhèn)纫晥D。
圖4是水凈化設(shè)備第二個實施例的部分斷面和所采用的多個除氣塔的示意圖。
參見圖1，本發(fā)明水凈化設(shè)備的第一個實施例10安裝在一個固定面12上，它可用任何已知的方式與不清潔的水源相通，本文中稱為不清潔水的進水管14。典型的是，需要凈化的水的含有溶解的氣體，例如空氣、硫化氫、二氧化硫和其他氣體，以及含有所溶的固體和生物有機體，如細菌、微生物、藻類等。
除氣裝置20包括一個除氣容器22，它是一個密閉不漏氣的桶，具有一個內(nèi)腔24，可有選擇性地抽空，使其成為接近真空，以便使腔室中的水除去氣體。容器22具有堅硬的壁，并嚴格密封，以防止水由容器漏出，以及防止外部空氣向腔室24產(chǎn)生不希望有的滲漏。由圖可見腔室24中裝有一定容量的不清潔的水26，其水位高低由帶有浮球32的浮球閥28靈活控制。該浮球閥通過管18和閥16與不清潔水的進水管14相連接，通過插管30將不清潔的水引入腔室24。浮球32處于預定水位34之下，容易看出，當浮球再升到水位34時，通過閥28進入的水流就停止下來。
出水管36由容器22的底部25伸出，并連接到手動控制閥38，該控制閥與連接管40相接，并伸到蒸餾裝置44的下部50。閥38可在關(guān)和開兩個位置之間變動，但只允許水流沿方向31流動。
蒸餾裝置44是靠支撐腿46或其他已知的替代支撐物支撐在表面12上的，它包括位于上部48的一個沸騰器42和一個既位于上部又位于下部的冷凝器52。沸騰器42采用了帶有狹窄頸部56的內(nèi)部沸騰室54，通過它水有上流，沸騰室內(nèi)產(chǎn)生蒸發(fā)。當閥38被打開時，只要容器22和沸騰室的空間116中的壓力相等，沸騰室中的水位126就同容器22中的水位34相平。
連接管47帶有存水彎49，其一端裝在容器22的水位34的緊上方，另一端裝在沸騰器42的水位126的緊下方。通常該存水彎充滿水到水面126位置，并且連接管具有下述兩個作用。當沸騰器42中的蒸發(fā)過程使沸騰器空間116蒸汽壓力上升時，此壓力的升高使水位126稍微下降到某個較低的位置，此位置由壓力增量的大小決定。如果沒有連接管47，下降的水位就會迫使除過氣的水流過管40而返回到容器22中。相反，有了連接管47，則空間116壓力稍增加就會使稍許水由沸騰器42進入連接管49而流向容器22，直到容器22和沸騰室42的水面實際上相平為止。連接管47的另一作用是阻止沸騰室42中的水蒸汽由該接接管流到除氣容器22中，即使沸騰室中水位下降較多而低于連接管47也無妨。因為空間116和腔室24之間的壓差很小，不足以使存水彎49中的水流走，因此有了該存水彎就可阻斷蒸汽流。
園形防濺板51固定在集管96的外緣上，用于擋住在急速沸騰過程中由水54中可能噴出的任何固體顆粒。
位于頸部56中的熱交換螺旋管58通過排氣道60和單向手動閥62連接到除氣容器的頂部23上。因此，排氣道60可以使腔室24上部的氣體容量沿管道60抽出而通過熱交換螺旋管58，靠接有電源69的真空泵66把排出氣體由螺旋管58抽到管道64，再經(jīng)排氣口70使腔室24中的氣體排入大氣。
真空泵66是使腔室24中產(chǎn)生局部真空的一個部件。當腔室24被抽空時，腔室中較低的氣壓使污水26中溶解的氣體幾乎立即從污水中跑出。這些氣體急速地變成氣泡而到達水面34，然后由腔室24經(jīng)過閥62順管道60被抽走。當這些溶解的氣體脫離水26的過程中，在水中進行了內(nèi)部熱交換，水26明顯地降溫，跑出的氣體吸收掉水26損失的熱量。因此，由于這些被加熱的排氣沿著排氣道60並通過熱交換螺旋管58被抽出，排氣所攜帶的大部分熱量將傳給進入沸騰器42的水68，從而有助于使水68的溫度接近其沸點。
在螺旋管58中進行了這種熱交換之后，沿管道64的冷卻氣流經(jīng)過真空泵66被抽走，由排氣口70排入大氣。因此，管路60和64、螺旋管58、排氣口70以及閥62合在一起構(gòu)成了以除氣容器24頂部為起端的排氣通道。
除氣容器24中的冷卻液體隨后順管路36和40進到冷凝器50。這里冷卻水成了使沸騰器中產(chǎn)生的蒸汽冷凝的媒介，在下文中還將進一步描述。當蒸汽在冷凝器52中冷凝時，熱量就由蒸汽傳到環(huán)繞冷凝器52的水68中，這些熱量促使水68升溫。被加熱的水最后流入沸騰器42，在那里它又蒸發(fā)。
蒸餾裝置44包括一個位于沸騰器42中的加熱螺旋管72，加熱螺旋管72通過管路74連接，用以接收加熱泵76的輸出量。泵76壓縮并加熱一種冷卻劑型的氣體，如氟里昂，這種冷卻氣環(huán)繞在加熱螺旋管72中，用來使沸騰室42里的水68加熱而蒸發(fā)。螺旋管72的輸出管78經(jīng)閥80連接到一個膨脹閥82上，以便壓縮由管路78出來的冷卻氣，再經(jīng)閥82而膨脹，用作位于冷凝器中的冷卻螺旋管84的冷卻劑。螺旋管84的出口經(jīng)管路86連接到加熱泵76的入口，構(gòu)成冷卻氣體的再循環(huán)。
管路89和一根平行的管路88相連，管路88包括一個閥90和一個帶有電風扇94的散熱器92。業(yè)已了解，有時需將經(jīng)管路78而由沸騰器42流出的冷卻劑在噴入冷卻螺旋管84之前加以冷卻。關(guān)閉閥80，使冷卻劑順平行管88經(jīng)風冷散熱器92流過，氣體中多余的熱量就能散失，從而使流到冷卻螺旋管84的冷卻劑具有較低的溫度。當不需要散熱器92時，關(guān)閉閥90，打開閥80，恢復螺旋管72和84之間的正常流動。
實施例10表明，利用加熱泵76可為蒸餾過程提供必要的熱量，然而應當知道，管路74還可以同其他熱源，例如太陽能集熱器、地熱源等配套，利用這些熱源，通常就不再需要加熱泵76。
蒸餾裝置的冷凝器52有一個吸入集管96，它處于裝置44的上端，并有一個端部開口，以便接收由水68表面上126蒸發(fā)的水蒸汽。冷凝器集管96經(jīng)冷凝管路98連接到冷凝器螺旋管100。冷凝器螺旋管浸沒在進入下部50里的冷水里。由圖可見，集管96、管路98和螺旋管100是有一定的構(gòu)形和一定的螺旋管數(shù)目，然而，應當指出，這里的結(jié)構(gòu)只是示意性的，用其他構(gòu)形的冷凝器和另外長度的螺旋管也可以。部件96、98和100里的冷凝器管路的比橫截面可大可小，以適應需冷凝物的容積變化。這些部件內(nèi)徑的確定，應當能使流經(jīng)它們的蒸汽流連續(xù)，並防止這些部件被冷凝液體完全堵塞。為使腔室116中的抽空過程容易進行并保持其較低的壓力，這種連續(xù)流動是必要的。螺旋管100的出口經(jīng)冷凝器出口管102和閥104而通到凈水水箱106中，這在下文中還要進一步說明。位于冷凝器螺旋管100下面的、沸騰器下部50底上的，是一個帶有手動閥110的排碴管108，以便使蒸餾裝置下部所積存的廢碴可定期排放和定期清洗該裝置。
位于沸騰器42的頂部附近，有一環(huán)形隔板132向內(nèi)延伸，以便限定沿軸135的蒸汽通道，并且使之安放一組永久磁鐵134。在沸騰器中心軸135一端的磁鐵極性相同，例如圖上所示的均為北極。該磁鐵環(huán)，圖2中更為清楚，即為產(chǎn)生磁場的部件，其磁力線平行伸向沸騰器的中心軸135。雖然由圖看出該磁場是由永久磁鐵產(chǎn)生的，但應指出，亦可以用電磁極來代替，仍屬本發(fā)明的權(quán)限范圍。
臨近磁鐵環(huán)順著中心軸135并與其同軸的部位，裝有一個同心的正電極或正極屏140和負電極或負極屏142，其上分別帶有正電壓V+和負電壓V-。這些電極屏一起確定了其間的電場。
某些被污染的水源帶含有帶電離子，其中一些離子不能通過蒸餾有效地去除。當這些正負離子隨著蒸汽從水面126流向集管96的入口136時，它們就穿過上述電磁場。由圖2可清楚看出，一個正離子144，當它受到這些場的作用時，就被場加速而延徑向144跑到負電極屏142上，在那里帶電的屏142不斷地收集并除去正離子。同樣，一個負離子也受到電磁場的作用而延徑向146跑到正電極屏140上，在那里屏上的正電荷不斷地收集負離子。用這種方式，不希望有的雜質(zhì)離子當它們隨水蒸汽向上流到集管96入口處時就被除去。
利用磁場還有其進一步的作用。因為磁場穿透沸騰器大部分區(qū)域，通過感應可用于加熱沸騰器中所溶的金屬分子。在裝置10運轉(zhuǎn)時，有許多金屬雜質(zhì)存在，它們?nèi)茉诓粷嵉乃?，在沸騰期間，它們在沸騰器中來回流動。這些雜質(zhì)，當穿過磁場時，就被感應加熱，并將這些熱量傳遞給周圍的水68，促使加熱的水達到其沸點。
凈水水箱106是一個封閉的密封容器，通過單向閥112和管路114與排氣道64相連，因而真空泵66能同時既抽空除氣容器24，又抽空凈水水箱106。應當指出，由水箱106內(nèi)抽出空氣，結(jié)果使沸騰室54頂部116也隨著在真空泵66作用下流向入口136的氣體和水蒸汽一起而被抽出。因此，沸騰器頂部的水68處于局部真空，從而使水68在低于海平面壓力時的沸點212°F的溫度下沸騰。由于空間116中的壓力降低，水里較低溫度下仍然產(chǎn)生急速沸騰。典型的是，所述的裝置使水68在水溫大約為50°F時就沸騰并有效地蒸發(fā)。
在凈水水箱106的底部有一個出水口120，通過單向閥122同一個可拆卸的水的運輸和儲存容器124相連。容器124保持在局部真空狀態(tài)。容器124可以是任何經(jīng)過適當消毒的容器，當內(nèi)部被抽空時，能經(jīng)受得住大氣壓力，而且能夠很容易地從已抽空的水箱，例如106上拆卸下來，而不允許所不希望的外部空氣進入容器124中。應當注意，既然已生產(chǎn)出除過氣的蒸餾水，并被儲存到容器124中，因此需要避免在容器124里存在任何空氣，以使水不再吸收大氣中的氣體或者再次被污染。
雖然圖中所示出由手動閥16、38、62、80、90和104來控制流體的流動，但是應當指出，其中一些閥門或全部閥門均可用自動控制閥代替，這些自動閥可由遠距離的控制系統(tǒng)控制，且這種替換也屬于本發(fā)明的范圍。
雖然圖1給出了沸騰器和冷凝器的具體構(gòu)形，但需指出，本發(fā)明亦可用許多其他類型的沸騰器和冷凝器來實現(xiàn)。例如，蒸餾裝置44可安排成使沸騰器位于冷凝器的下面，以及冷凝器采用由容器22的排出口36對其供水的冷卻螺旋管。所有這些變換方式均屬于本發(fā)明的范圍。
對于實施例10的工作過程，操作者首先要關(guān)閉除氣容器22的閥門38，并且打開閥16和62。當閥門16打開時，污水流經(jīng)管路14、閥28和插入管30進入除氣室24，直到浮球32升到預定的最高水位34，在該處浮球閥28關(guān)閉，以阻止污水進一步流入。
下一步操作者啟動由電源69供電的真空泵66，以便從除氣室24和凈水水箱106中抽出空氣。
當除氣容器24中的壓力下降時，溶解在水26中的氣體開始從水中冒泡，并積蓄在腔室24中水面34的上方。當氣體離開水26時，它們就沿著真空泵管路60、64和70按方向130被抽離腔室24，經(jīng)真空泵66而排入大氣。單向閥62可有效地防止這些氣體回流到腔室24中。
在水26中溶解的氣體變成氣泡冒出水面，并不再與水相溶。依靠含在水中的熱量被傳遞給由水中排出的氣體，而存在著熱交換的過程。這種熱交換過程使氣體離開溶液時被有效地加熱，同時，由于熱量傳給了跑出的氣體，因而水26被冷卻。本發(fā)明利用這種熱交換過程使設(shè)備得以簡化。
下文還將進一步敘述到，排出腔室24的已升溫的氣體還將用于預熱進入沸騰器42的水68，以促進水的蒸發(fā)過程，而容器24中被冷卻和除過氣的水26將用來供蒸餾裝置44的冷凝器52作冷卻介質(zhì)。
在抽空除氣室內(nèi)部的過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，壓力值接近0.1到1.0磅/平方英寸時，就能相當滿意地除去流體中溶解的幾乎全部氣體。然而，尚需指出，這個壓力范圍可以是變化的，在某種程度上，它依賴于裝置10所處工作環(huán)境的溫度和壓力以及污水的起始溫度。
當腔室24經(jīng)打開的閥62而被抽空時，真空泵66同時使凈水水箱106經(jīng)管路114被抽空。因為氣體由沸騰器的蒸發(fā)室116被吸向水箱106，因而循著通過集管入口96、螺旋管100和管路102的路徑，蒸發(fā)室116也同時被抽空。因此，腔室116、106和它們之間的連接管路中的氣壓也減少為局部真空。
在除氣容器24里水26中的氣體冒泡而到達腔室24的頂部之后，操作者關(guān)閉閥16并打開閥38，將冷卻并除過氣的水26排入管路40，從而進入蒸餾裝置44。當冷卻并除過氣的水26進入冷凝器的下部50時，該冷卻水即可作為冷凝劑用，這在下文中還將闡述。由除氣室24和冷凝器50的尺寸決定，可能需要使相當于腔室24一倍以上容積的水除氣，才能有足夠的除過氣的水將裝置44充滿到水位126。在本文的描述中，將假定裝置10的水是充到水位34和126的，如圖1所示，并且工作在穩(wěn)定狀態(tài)。
應當了解，每次除氣容器24都是通過閥16和28來補充水的，然后這些水被除氣。被加熱的廢氣通過管路60排走，這些氣穿過熱交換螺旋管58。廢氣中所含的大部分熱量通過螺旋管58傳遞給環(huán)繞螺旋管并與其接觸的水68，因而在水68進入沸騰器42時就被加熱。與此相應，當除過氣的水沿管路40流入下部50并穿過螺旋管58上升而流向沸騰器42時，水被螺旋管加熱。由于沸騰室54的116中氣壓在泵66的作用下明顯下降，水68的沸點實際上低于212°F。水68的沸點可能降到低于100°F，這時對于水的蒸發(fā)來說，只需要較少的熱量。由于存在上面敘述過的磁感應而產(chǎn)生的熱量和由金屬雜質(zhì)傳遞給水68的熱量，水68還接受附加的熱量。
為了進一步對水68的蒸發(fā)提供熱量，可接通加熱泵76的電源，使被壓縮的加熱液體按照129方向沿管路74流入，從而使沸騰室42中的加熱螺旋管72發(fā)揮作用。加熱螺旋管72里的液體順管路78流到平行支管88或89中。支管88經(jīng)閥90與散熱器92相連，該支管的用途將在下文中予以說明。支管89通過閥80提供壓縮液體給膨脹閥82。膨脹閥的出口連接冷卻螺旋管84，當壓縮液體通過閥82膨脹后，螺旋管84就變冷，從而使下部50中的水冷卻，這樣就促使冷凝器52將其中流過的水蒸汽冷凝。然后液體由螺旋管84按127方向轉(zhuǎn)向管路86，又轉(zhuǎn)回到加熱泵76。相應地，加熱泵76向沸騰器供熱，以使其所含的除過氣的水蒸發(fā)，然后降溫進入冷凝器。
當上部48里的水沸騰時，水蒸汽向上進入空間116，由于真空泵66的作用再被吸入冷凝器集管入口136。這些蒸汽經(jīng)過冷凝器集管96和管路98向下流動進入冷凝螺旋管100。管路98和螺旋管100處于冷凝器依次下來的較低的位置上，因而可依次接觸到水的較冷層。在螺旋管100里水蒸汽冷凝成液體，然后經(jīng)過打開的閥104向下流入凈水水箱106中。
當水面126由于沸騰器42中的水68蒸發(fā)而下降時，除氣容器22里的水面34也下降，從而使閥28打開，通過插入管30就有污水補充進來。新補充進來的水使容器22和42的水面總保持在34和126位置上。由于容器22水面上保持有近似真空，補充進來的水在進入該容器之后幾乎立刻被除氣。在裝置10處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，閥38一直打開。
裝置10開始啟動時，閥門38關(guān)閉，這時第一箱水需保存一個短時間，以便對容器22里的水除氣。然后打開閥38，使這一箱水流到蒸餾裝置44中。除氣過程中再關(guān)上閥38，在容器22中又放入一箱水進行除氣，然后再打開閥38排放，直到沸騰器42被除過氣的水達到水位126為止。當水面達到126位置，整個連續(xù)穩(wěn)定工作狀態(tài)建立之后，閥38可保持在開啟位置。
磁場138里向上移動的帶電離子被加速而分別跑到正極屏140或負極屏142上，因而被屏捕獲而除去。這些離子是隨著水蒸汽一起跑到集管96的入口處136的。
凈水充滿水箱106時，通過管路120和閥122，按時排入可拆卸的、抽空的、密封的凈水容器124中，以便儲存或運輸凈化了的水。容器124的結(jié)構(gòu)使之能防止任何外部污染物進入容器124或水箱106中。
如果需要對冷凝器螺旋管84進行輔助冷卻的話，操作者可關(guān)閉管路89上通常是打開的閥80，同時打開閥90，從而使冷卻劑轉(zhuǎn)向而通過平行管路88和散熱器92。風扇94可以起到進一步冷卻通過散熱器92的液體的作用，因此在其進入膨脹閥82之前就提供了經(jīng)過進一步冷卻的冷卻劑。除非需要輔助冷卻，否則閥90總是關(guān)閉，閥80總是打開的。
長期工作之后，雜質(zhì)層就會聚集在蒸餾裝置44的底部，應該打開通常關(guān)閉的排污閥110，通過排碴管108排出這些雜質(zhì)。
同樣，為了獲得凈化水的穩(wěn)定工作過程，應當通過閥28使除氣裝置20保持在充滿水的狀態(tài)，并通過閥62把排出的氣體抽走。當水面34隨著沸騰室中液體蒸發(fā)而稍微下降時，通過閥28就流進一定量的水，進入減壓容器24后就急速除氣。流進的水灌到接近水位34的位置，使其能急速除氣，并防止氣體進到容器22的下部。從容器22的下部，除過氣的水通過閥38被有規(guī)律地抽到沸騰器里。當除氣容器24和沸騰室42中的水分別保持在水位34和126位置上時，裝置10就可產(chǎn)生穩(wěn)定的凈化的水流而流入容器106。目前已知道，該設(shè)備所產(chǎn)生的凈水，其純度達到使其導電率接近18微歐，即使進來的水是通常的海水，其導電率也在5000微歐的數(shù)量級。這種水可以通過裝置10進行再循環(huán)，從而獲得更純凈的水。
接著參看圖4。使本發(fā)明的水的凈化設(shè)備具體化的第二個實施例200采用了一個蒸餾裝置44′和一個凈化水箱106′，類似于第一個實施例10中所述的裝置，同時，將其與高效率的除氣裝置202組合起來。除氣裝置采用了多個塔，它既能使進來的污水除氣，又可產(chǎn)生蒸餾裝置44′所需要的低壓，以使水能在大大低于212°F的溫度下沸騰。裝置44′不同于裝置44，它沒有離子消除部件。然而應指出，如果需要的話，這種離子去除部件也可裝到設(shè)備200上。由于裝置44和裝置44′相當類似，裝置44′中與裝置44相同的部件將使用與裝置44中相同的標號，只在其右上角加上一撇而已。
除氣裝置202采用了多個實際上相同的塔，圖中標為塔204和206，還帶有如圖所示的供連接第三個塔用的接頭。對只有如圖所示的兩個塔這種特殊情況，應當清楚，也可以用三個或更多的塔，這仍屬于本發(fā)明的范疇。因為兩個塔本質(zhì)上是一樣的，這里僅對塔204的結(jié)構(gòu)和工作過程作詳細說明。
塔204類似于1983年10月4日公布的Henry C.Las-ater的專利No.4407665所表明的除氣裝置，題目是“Liquid Degasfication Device”。塔204限定為一個豎直的適當?shù)模夷苊芊獾某龤馊萜?，其高度最好?3到60英尺范圍或者更高些，它支撐在表面208上。
除氣塔202的位置最好能使其上端低于污水源。其實，這種水源或許就是一位于較高處的瀑布或溪流。在重力作用下，該水流就能經(jīng)塔的污水入口220使塔完全充滿，而無需使用泵。入口220經(jīng)控制閥222與除氣室209相通。
出水管226連通到單向控制閥228上，它只允許水流由容器202流向蒸餾裝置44′。單向閥228的出口連到管路40′上，再通向蒸餾裝置44′。
支水管232由管路40上通到第二個單向控制閥228A和第二個除氣塔206。單向控制閥228A只允許水從塔206流向蒸餾裝置44′。管路234從管路232經(jīng)單向閥228B與管路226A相連。如果對于所發(fā)明的系統(tǒng)尚需加第三個塔時，則管路226A還要同第三個除氣塔相接。若不用第三個塔，則閥228B就一直關(guān)閉。
塔204有一條經(jīng)單向閥240通到其上端的抽空管路238。該單向閥允許空氣和其他氣體由管路238流向塔204，下文還將說明。抽空管路238連同與其相接的抽空管路246和248一起共有一條減壓導管，它接到水箱106′上。抽空管路248經(jīng)單向閥252連在除氣塔206的頂端。閥門252設(shè)計成允許空氣和其他氣體由管路248流向塔206。第三條抽空管路254經(jīng)手控單向閥256伸出，如果需要第三個塔的話，供連接第三個塔用。當使用第三個塔時，它也構(gòu)成減壓導管的一部分。上述抽空管路，即管路238、248和246，連同閥222、222A、240、252、228和228A一起構(gòu)成了一套系統(tǒng)，用于使除氣塔204和206以及蒸餾裝置44′中形成合乎需要的局部真空，這在下文中還將闡述。真空泵66′和閥263有時也作為形成局部真空的該系統(tǒng)的一部分而起作用，特別是在裝置200的啟動過程中。
排氣管260通過單向閥262連接到塔204的頂部。該單向閥允許氣流由塔204沿管路260流出。排氣管260與排氣管60′相連，再與蒸餾裝置44′的熱交換螺旋管58′連接。由螺旋管58′流出的氣體經(jīng)管路64′、單向閥263、真空泵66′和排出口70′排走。同排氣管60′相連的還有第二個排氣管266，它經(jīng)過單向閥270通到除氣塔206的頂部。閥門270連通后空氣和其他氣體可以由塔206出來流向閥門270。排氣管路還連接到第三個單向閥298上，如果用到第三個塔，則再接到第三個塔的頂部。若不用第三個塔，閥298一直關(guān)閉。這樣，管路260、60′、58′、64′和266，與閥262、263、298和270一起構(gòu)成了從塔204和206進行排氣的排氣通道。真空泵66′連接在閥263和出口70′之間，用于啟動該系統(tǒng)，這將在下文中闡述。
雖然閥222、222A、228、228A和228B在圖文中均當成是手動操作的，但需指出，如果必要，這些閥門也可以用適當?shù)膫鞲衅魇蛊淠苓h距離控制，還可以配合自動控制系統(tǒng)，以完成所述的充排步驟。這些變換方式均屬于本發(fā)明的范疇。
第二個實施例的操作過程如下。實施例200的設(shè)備最好建立在這種地方，使該處的污染水源位于設(shè)備200建造處的上方。這種較高水位的水源是所需要的，以便借助重力作用使水源的水向下流入凈化設(shè)備200，而無需用泵將其泵入塔204和206的頂部。在水源的水位低于塔高的地方，可以用泵將水提升到塔頂。這種變動也屬于本發(fā)明的范疇。
在連續(xù)穩(wěn)定工作狀態(tài)開始之前，操作者首先打開入口閥222和222A，并關(guān)閉閥228和228A，讓污水分別從入口220和220A進入除氣塔204和206，從而啟動設(shè)備200。讓每一塔中的水升到塔頂，塔中原有的空氣被迫上升，并分別通過塔204和206的閥門262和270。當污水基本充滿塔時，關(guān)閉閥222和222A，污水停止流入。
下一步操作者啟動真空泵66′，以繼續(xù)其準備工作，同時打開閥112′、104′和122′，以便從管路和水箱中抽出空氣，使之向上而排出真空泵66′。隨著這些閥門打開，排氣管路64′、58′、60′、260和266中的空氣基本上被排掉。與此同時，凈水水箱106′和124′、螺旋管100′、集管96′以及蒸餾裝置44′未充滿部分里的空氣也被排走，其內(nèi)部近似真空。先前在塔204和206中的氣體，被上升的水面向上推入排氣管道260和266中后，在真空泵66′的作用下，也被排除掉。
在塔充滿水的過程中，分別為塔204和206出水管上的閥228和228A一直關(guān)閉。之后，打開這些閥門，再關(guān)閉真空泵66′。真空泵66′停止工作后，單向閥263可防止空氣通過真空泵66′進入該系統(tǒng)。打開閥228，使塔204中的水通過閥228流出并進入蒸餾裝置44′。同時，打開閥228A，讓污水通過閥228A流出塔而進入裝置44′中。
由于水從塔204和206中排放，使塔里的水下降到一個平衡水位，典型的狀態(tài)是低于塔頂30至60英尺，因此在塔204里的水面294和塔206里的水面294A上面造成近似真空的狀態(tài)。由于形成了近似真空，污水中原來溶解的氣體便從溶液中跑出，并幾乎立刻變?yōu)闅馀菝俺鏊械乃?。當氣體離開溶液時，它們從水中吸收熱量，因而其溫度比水溫高。由于氣體帶走了熱量，塔中的水明顯變冷。排出氣體的過程，實際上與真空的產(chǎn)生是同時發(fā)生的。因此，這些溶解的氣體，其中可能包括氧氣、氮氣、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫等等，都跑到每個塔里水面294和294A上面的真空腔室209和209A中。由于塔里的水面下降到水位294和294A，排出的水向上流入裝置44′中達到一個平衡水位295，該水位基本上與水位294和294A相平。
再將閥228和228A關(guān)閉，然后打開閥222和222A。補充的污水從污染水源流入塔204和206，再使水面升到塔頂。升高的水面對原來在水中后來從溶液中跑出來的熱氣體加壓，使其向上運動，并通過單向閥262和270從塔中出來。這些被排放的氣體沿著排放管道流向熱交換螺旋管58′。使用單向閥可防止這些氣體回流到塔中，至此，準備階段完成。實施例200的穩(wěn)定工作狀態(tài)將在下面討論。
在以穩(wěn)定狀態(tài)工作期間，塔204和206都將被水重新充滿到塔頂，并將交替排出，以保持近似真空，從而滿足除氣和有效蒸餾的需要。在描述以穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)工作時，假定兩個塔已完成準備階段并充滿了水;所有的水管也都充滿水;從兩個塔頂部接出的并延伸到凈水水箱106′的抽空管路260和266基本上真空的。還假定，與任選的第三個塔相關(guān)的閥門，即256、298和228B是關(guān)閉的。在凈化裝置工作時，閥228和228A將交替打開和閉合。
下面敘述蒸餾裝置44′的操作方法。應當指出，該裝置的操作基本上與第一個實施例44相同。當加入的除過氣的水經(jīng)入口40′進入沸騰器的下部時，除過氣的冷水首先用來冷卻冷凝螺旋管100′，然后穿過螺旋管58′向上流動。穿過螺旋管58′向上流動的水吸收螺旋管58′里熱廢氣的熱量，然后水又向上流入沸騰器。在沸騰器里，加熱螺旋管72′增加了來自熱泵76′的附加熱量。為了達到所要求的沸騰速度，這可能是需要的。由電源69′供電的加熱泵76′所產(chǎn)生的熱量通過管路74′輸送到加熱螺旋管72′。冷卻劑氣體離開螺旋管72′，沿著管路78′，通過閥80′和其路徑上的管路89′流向膨脹閥82′，再進入冷卻螺旋管84′。冷卻劑沿管路86′經(jīng)截流閥275返回加熱泵。在進入膨脹閥82′之前，若需要進一步使冷卻劑冷卻時，可關(guān)閉閥80′，打開閥90′，使冷卻劑在進入膨脹閥82′之前通過散熱器92′。裝置44′中沉積的殘碴通過閥110′排出。由于在空間296保持有局部真空，從而進一步加速了水的沸騰，使水在相當?shù)偷姆悬c下沸騰。采用裝置44′，在50°F到100°F之間，很容易達到沸騰。隨著急速蒸發(fā)，裝置44′的水面295下降，這時補充的水就從塔204和206交替地補充進來，下面還將予以描述。
當沸騰室中的水面下降到低于水位295時，操作者打開出口閥228，使塔204底下的除過氣的水順管路226向外流入裝置44′的冷凝器。
當閥228打開時，塔204的水面可下降到比塔204頂部低30-60英尺的水位294。在塔204更下面的原有的水位下排放，并流向蒸餾裝置44′，直到裝置44′中的水位295基本上與水位294相同為止。當塔204里的水面下降時，塔內(nèi)水面294上方形成了局部真空。與水位的下降和局部真空的形成實際上同時發(fā)生的是，塔204水中溶解的氣體跑出溶液，并且實際上直接變成氣泡冒出水面294而進入水面294上方的空間。在一個短時間內(nèi)，即大約在10到30秒，塔204內(nèi)新補充進的污水基本上被除去氣體。
由于從塔204中排放水期間水面294的下降，抽空管路238里的空氣或氣體都通過單向閥240跑到塔204頂部的抽空空間中，從而有效地從管路238、248和246中抽出了空氣和其他氣體。這樣就使凈水水箱106′被抽空，并且使沸騰器的空間296中的水蒸汽被抽向集管96′。因此，當塔204的水下降時，水位的下降和由于水位下降所造成的近似真空，有助于從凈水水箱106′中抽出氣體，從而保證水箱中不再有氣體重新溶解到最后儲存在水箱中的凈水里。另外，塔204中水位的下降保持了塔204中除過氣的水上方的局部真空，這樣，任何尚未離開溶液留下的溶解氣體將繼續(xù)跑出水面。
當溶解氣體離開塔204中的水溶液時，存在一個熱交換過程，因此氣體實際上被加熱，留下來的除過氣的水，因?qū)⑵錈崃總鹘o了氣體，故其溫度明顯下降。這時的水，溫度實際上較低。當打開閥228時，它就流入裝置44′中，供冷凝螺旋管100′使用。
這時，操作者關(guān)閉閥門228，打開塔的入口閥222，使補充的污水進入塔204。由于塔204的水面上升，水面294上方跑出的加過溫的廢氣被向上推，經(jīng)單向閥262、管路60′和熱交換螺旋管58′而離開塔。在螺旋管58′里，氣體所攜帶的熱量傳給了沸騰器中的水，從而使水在蒸發(fā)前預先被加熱。這時，變冷的廢氣順管路64′流動，并通過出口70′排放到大氣中。如果需要，可間斷地使用真空泵66′，以進一步增加排放的氣體離開該系統(tǒng)的速度。
當裝置44′里的蒸發(fā)使其中的水耗盡時，第二個塔206將通過閥228A從它原先充滿水的狀態(tài)下被排放。以除去塔206水中的氣體。在關(guān)閉入口閥222的情況下，操作者打開排水閥228A。隨著水通過管路226A離開塔而流入裝置44′，塔206的水面往下降至水位294A。當水位下降到294A時，水里所含的所有溶解氣體都基本上離開了溶液，并直接變成氣泡冒出水面294A。在塔206的除氣過程中，發(fā)生熱交換，因此，氣體從水中帶走大量的熱量，而使水成倍地降溫。
至此又做好了使塔重新充水的準備。操作者打開閥222A并關(guān)閉閥228A，使水面從水位294A上升到塔頂。隨著水面的上升，塔內(nèi)水面294A上方的熱廢氣被向上推，并流出單向閥270，沿著排氣管路266和60′流動。然后，這些熱氣體流經(jīng)熱交換螺旋管58′，將熱量傳遞給裝置44′中的水，并通過管路64′和出口70′排放到大氣中。
隨著塔206內(nèi)的水面下降，水面294A上方形成了真空，該真空造成通過單向閥252抽入一些空氣或氣體，因此有助于管路248、246和238的抽空。由于這些管路被抽空。凈水水箱106′也保持真空。另外，由于管路246通過凈水水箱106′而與冷凝器螺旋管100′和集管96′相通，塔206所造成的真空也把沸騰器頂部296中的蒸汽引向冷凝集管96′內(nèi)。如上所述，由于采用兩個或多個塔來保持真空，在實施例200處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，有可能大大減少對開動真空泵66′的需求。
這樣，塔204和206被交替重復用于對進入塔里的水除氣，從而在上述部分構(gòu)件中建立起局部真空。塔所造成的近乎真空，還使加熱排出的氣流向螺旋管58′，從而使環(huán)繞螺旋管的水加熱。除氣步驟之后，保持冷卻的水用來冷凝裝置44′中的蒸汽。
由于塔204和206的水面下降，在沸騰器里水上方的空腔296中的壓力一直處于較低數(shù)值，這樣，隨著兩個塔中任何一個里的水面下降，都有助于把蒸汽從空間296引向集管96′的頂部。如果還需要減小壓力，可間斷地開動真空泵66′。由于沸騰器中水的蒸發(fā)，水蒸汽流向集管96′，并向下穿過冷凝器螺旋管100′，螺旋管100′與進來的除過氣的冷卻水保持不斷地接觸。螺旋管100′和集管96′中的水蒸汽冷凝為水滴，并向下排放到凈水水箱106′中。當水箱充到一定容量時，排放閥122′打開，并將水向下排放到可拆卸的密封容器124′中，該容器定期取走和更換。
看完以上描述之后，最好還要了解，要求所安裝的塔204和206的容積要比蒸餾裝置44′的容積小，以便裝置44′能夠以與一個塔每次排放到裝置44′去的水的容積相協(xié)調(diào)的速率來蒸發(fā)它的水，並與這種排放的頻率協(xié)調(diào)。自然，具有一定容積和構(gòu)形的裝置44′，應確保集管96′的入口總是處于裝置44′中水面的上方。
雖然實施例200僅示出和詳細解釋了兩個塔的情況，但應知道，也可以采用三個或更多的塔，所用的每一個塔都能很好地對其中的水除氣，并且有助于在裝置44′、凈水水箱106′和集管96′中造成局部真空。
使用本發(fā)明提供的裝置，可解決大部分水的污染問題，無論是氣體、固體還是離子，都可得到很好地消除。該設(shè)備非常有效，并且特別適合處于高處的印刷場所;在那里污水水位高于所連接的凈化裝置，因而可以依靠重力使水充滿該裝置。在實踐本發(fā)明時，使用所發(fā)明的除氣塔，可使整個凈化設(shè)備保持一個有效的真空度，并且僅僅使用塔就能維持真空。因此，使水流過該裝置并保持真空所需要的能量就大為減少，從而對存在著污染問題的許多地方，用低成本將水凈化就成為切實可行的事了。
雖然對本發(fā)明最佳實施例作了以上具體描述，但是應當指出，對此可以作各種變換和修改，而不脫離本發(fā)明和下面提出的權(quán)利要求
條款的精神。
權(quán)利要求
1.一種固定在一個表面上的水的凈化設(shè)備，用來使含有溶解氣體和其他固體雜質(zhì)的污水除氣和蒸餾，且與電源相接，包括一個除氣裝置，用來從污水中排出所溶解的氣體，它包括一個用于容納污水的除氣容器，該容器有一個頂部，一個底部和一個水的入口，還有一個水的出口，所說的容器應構(gòu)成適當?shù)拿芊?，以使其中至少保持局部真空；一個蒸餾裝置，用來從污水中除去固體雜質(zhì)，且與所說的除氣容器的上述出口相連，使其液流相通，從而由其導入除過氣的水，該蒸餾裝置包括一個沸騰器，一個冷凝器，和一個凈水水箱；一套系統(tǒng)，用來使上述除氣容器和上述蒸餾裝置中形成適當?shù)木植空婵?，從而在所說的容器中產(chǎn)生被冷卻和除過氣的水，以及在該被冷卻和除過氣的水的上方產(chǎn)生加過溫的氣體，并使上述蒸餾裝置里的水具有較低的沸點；以及一條氣體排放通道，由所說除氣容器的頂部接出，且包括一個氣體出口，所說的排放通道，用于接收從所說除氣容器的水中出來的加過溫的氣體，以及用熱交換的方式至少同上述裝置之一相聯(lián)系，將熱量從該排放通道里接收的加過溫的氣體傳給冷卻的除過氣的水，從而使除過氣的水加溫。
2.如權(quán)利要求
1所述的水的凈化設(shè)備，其中所述的氣體排放通道伸到所說的蒸餾裝置中，以便將熱量傳遞給所說的蒸餾裝置里的除過氣的水。
3.如權(quán)利要求
2所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的氣體排放通道穿過所說的沸騰器，并且包括一個螺旋管，以傳導的方式將熱量傳遞給所說的沸騰器里的水。
4.如權(quán)利要求
1所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的用于形成局部真空的一套系統(tǒng)包括一臺接有電源的真空泵，該真空泵與上述除氣容器的頂部相連，以便對該容器抽真空。
5.如權(quán)利要求
4所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的真空泵被連接到上述氣體排放通道的氣體出口處。
6.如權(quán)利要求
1所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的氣體排放通道包括一個單向閥，它安裝成允許污水中排出的氣體從所說的除氣容器里流出。
7.如權(quán)利要求
1所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的凈水水箱與上述蒸餾裝置的冷凝器相連，使其液流相通，以接收蒸餾水，所說的用于形成局部真空的一套系統(tǒng)與上述凈水水箱相連，以使該水箱保持局部真空。
8.如權(quán)利要求
1所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的除氣容器至少有33英尺高，所說的用于形成局部真空的一套系統(tǒng)包括閥門組件，該閥門組件與上述除氣容器相連，使該容器能被污水充滿到選擇好的位置，所說容器的頂部密封，從該容器的底部按需要排出水，因此在該容器的頂部形成局部真空。
9.如權(quán)利要求
8所述的水的凈化設(shè)備，還包括一條與上述除氣容器頂部相通的減壓導管，所說的凈水水箱與所說的冷凝器相連接，以容納由該冷凝器來的水，且與上述減壓導管相連，以便利用所說容器內(nèi)的局部真空來保持該凈水水箱里的局部真空。
10.如權(quán)利要求
8所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的除氣裝置還包括第二個除氣容器，其高度至少為33英尺，并與上述蒸餾裝置相連，使其液流相通。
11.如權(quán)利要求
1所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的蒸餾裝置包括一個處于所說沸騰器中的蒸汽通道，還包括一套用來順著該蒸汽通道形成一個電場的組件，所說的電場組件包括一個正電極和一個負電極，它們由電源供電，用于分別吸引并捕獲沿上述通道運動的負離子和正離子。
12.如權(quán)利要求
11所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的通道有一個規(guī)則的幾何橫截面，所說的電場組件有其中的一個電極，其中心基本上處于該橫截面上，而另一個電極，位于該橫截面的周邊附近。
13.如權(quán)利要求
12所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的中心處于該橫截面上的電極是正電極，而處于所說周邊上的電極是負電極。
14.如權(quán)利要求
12所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的處于上述周邊上的電極的形狀為園筒形，并且沿上述通道的周邊延伸。
15.如權(quán)利要求
11所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的磁場組件包括多個環(huán)繞上述蒸汽通道周邊的磁鐵，面對該通道的磁極是相同的。
16.如權(quán)利要求
11所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的蒸餾裝置還包括一套用于產(chǎn)生一個磁場的組件，該磁場組件沿所說蒸汽通道安放，使該磁場具有沿該通道延伸的磁力線，以使沿該通道運動的離子受力而移向上述其中一個電極，從而去除蒸汽中的離子。
17.如權(quán)利要求
16所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的磁場形成組件位于所說沸騰器的附近，故所說的磁場穿過沸騰器里的水，因此，當水沸騰而使其他雜質(zhì)穿過磁場時，由于磁感應而使水中的這些雜質(zhì)加熱。
18.一種水的凈化設(shè)備，它用于使含有溶解氣體和其他雜質(zhì)的污水除氣和蒸餾，并可與電源連接，包括一個除氣裝置，用來從污水中排出所溶解的氣體，它包括多個除氣容器，用于容納污水，每個容器都有一個用來接收污水的入口，有一個頂部，一個底部和一個水的出口，每個所述的容器應做成必要的密封，以使其中保持局部真空，每個所說水的出口包括一個單向閥，它允許除過氣的水從每個容器中流出，所說的出口在上述單向閥的下流彼此平行連接著;一個蒸餾裝置，用來從污水中除去其他雜質(zhì)，且與所說除氣容器的平行連接的水出口相串聯(lián)，使其液流相通，從而由其導入除過氣的水，該蒸餾裝置包括一個沸騰器和一個與上述平行連接的水出口相連以使其液流相通的冷凝器;以及一套系統(tǒng)，用來使上述每個除氣容器和上述沸騰器中形成適當?shù)木植空婵?，從而在所說的容器中產(chǎn)生冷卻過和除過氣的水，以及在該除過氣的水的上方產(chǎn)生加過溫的氣體，并使上述沸騰器里的水具有較低的沸點。
19.如權(quán)利要求
18所述的水的凈化設(shè)備，還包括一條氣體排放通道，由所說的每一個除氣容器的頂部接出，并且包括一個氣體出口，所說的排放通道用于接收從每一個除氣容器的水中排出來的氣體，以及用熱交換的方式至少同上述裝置之一相聯(lián)系，將熱量從通道里被加溫的氣體傳遞給被冷卻的除過氣的水，從而使除過氣的水加溫。
20.如權(quán)利要求
19所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的氣體排放通道伸到蒸餾裝置中，以便將熱量傳遞給蒸餾裝置里的除過氣的水。
21.如權(quán)利要求
20所述的水的凈化設(shè)備，其中所說的氣體排放通道穿過沸騰器，并且包括一個螺旋管，以傳導的方式將熱量傳遞給該沸騰器里的水。
專利摘要
一種高效水凈化設(shè)備，包括一個除氣裝置，一個蒸餾裝置和一個離子去除裝置，用于使污水凈化。將除氣裝置抽成局部真空時，溶解的氣體脫離開水，產(chǎn)生熱交換過程。一條氣體排放通道使被加熱的氣體進入蒸發(fā)裝置中的加熱螺旋管中，使水預熱蒸發(fā)。同時將冷卻的除過氣的水導入冷凝器使蒸汽冷凝。除氣裝置可包括一個或多個塔。減壓導管將塔中的真空傳導給上述蒸餾裝置和水箱使其達到真空，從而使蒸餾裝置在較低的溫度下達到沸騰。
文檔編號B01D1/30GK87101601SQ87101601
公開日1987年9月9日 申請日期1987年2月3日
發(fā)明者亨里·C·拉薩特 申請人:亨里·C·拉薩特導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan