专利名称：水处理系统和具有阴极保护的水加热器和水处理方法
技术领域：
本发明涉及一种去除杂质的水加热和水处理。更特别地是，本发明涉及一种在混合后饮料分配器中进行现场(on-premise)水加热和水处理。
背景技术：
在许多应用中每天均需要使用水加热器。水加热器的一个用途是用在水处理系统中，其中水含有杂质，如过量的重碳酸盐硬度，并且水经过加热处理并进行过滤。加热水导致诸如重碳酸盐这样的杂质象固体一样沉淀，因此能够通过过滤去除。然而，当加热器加热水时，碳酸钙沉淀，并沉积在水加热器的金属加热元件上，形成绝缘层，其迅速降低了加热元件的热传导率和效率。
碳酸钙沉积在金属加热元件上，这时在接近加热元件的金属表面上形成大约为8.5的高pH。在该高pH处，钙离子和碳酸盐离子沉淀，以在金属加热元件表面上形成固体霰石或方解石。
使用化学溶液来克服碳酸钙沉积在水加热器的加热元件上的问题。例如，化学溶液能够通过降低水中碳酸盐离子浓度的钙离子浓度来降低水的硬度。
水处理系统的一个用途是用在现场饮料制备(一般适用于混合后设备)中。在许多地区，局部水源出现卫生问题，因此现场水处理是必须的。需要用于现场饮料产品的可靠和廉价的水处理系统，但是很关注在饮料产品中使用化学溶液的问题。因此，需要减少碳酸钙沉积在水加热元件上，而不使用化学溶液，特别是在现场饮料制品中。
发明内容
本发明通过提供水加热器来实现上述的需要，所述水加热器包括至少一部分是金属的壳体、设置在壳体中的金属加热元件，壳体的金属部分和金属加热元件电连接，以便壳体的金属部分起阴极作用，金属加热元件起阳极作用。更特别地是，壳体限定了水加热室，并且具有用于接收水的进水管和排出水的出水管。金属加热元件设置在壳体中以用于加热水。在操作期间，壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极，电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体的金属部分。电流进入加热元件的金属结构，降低其表面电势，并将金属带进热力学抗扰区。
电化学交换出现在阴极壳体金属部分和阳极金属加热元件之间，并在接近阳极金属加热元件的表面处产生H+离子，接近阴极壳体金属部分的表面处产生OH-离子。因此，接近阳极金属加热元件的表面处形成低pH，接近阴极壳体金属部分的表面处形成高pH。因为碳酸钙只在高pH处沉积，因此水中的碳酸钙不会沉积在阳极金属加热元件上，而是沉积在阴极壳体金属部分上。另外，虽然金属加热元件以电解反应的形式腐蚀，但是金属加热元件由具有低速率电化学消耗的金属制成。此外，壳体金属部分不会腐蚀，且能够由廉价腐蚀的金属制成。因为固体沉积物不会形成在本发明水加热器的金属加热元件上，所以金属加热元件维持其热传导率和效率，并且水加热器是更有效的、更可靠的和更廉价的。
本发明也包括水处理系统，其包括上述的水加热器和设置在壳体中用于收集固体沉积物的的收集器，所述固体沉积物从通过水加热器壳体限定的水处理室的水中进行沉积。
根据一实施例，壳体金属部分和金属加热元件与整流器或直流电压源电连接，所述整流器或直流电压源强制壳体金属部分起阴极作用，强制金属加热元件起阳极作用。在所述的实施例中，壳体金属部分和金属加热元件彼此直接电接触绝缘。电连接通过整流器或直流电压源。作为可选择的方案，壳体金属部分和金属加热元件由具有不同表面电势的金属制成，以便壳体金属部分和金属加热元件与水处理室中的水一起起电化电池的作用。
壳体金属部分可能是壳体容器本体的一部分，或者可能是从容器本体延伸入水处理室的金属电极。壳体金属部分起阴极作用，其直接接触水处理室中的水。另外，壳体包括限定水处理室的第一容器和包括金属加热元件的第二容器，所述金属加热元件是热交换器管。在一个实施例中，第一容器包括第一加热元件，第二容器包括第二加热元件，所述第二加热元件是热交换器管。在阴极保护的情况下设置第一和第二加热元件。
另外，本发明包括一种用于加热水的方法，其包括通过壳体中的进水管将水引入由壳体限定的水加热室，并且采用金属加热元件加热引入水加热室中的水，而且电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体金属部分，其中壳体的至少一部分是金属的，壳体的金属部分和金属加热元件电连接，以使壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极。
另外，本发明包括一种用于处理水的方法，其包括通过壳体中的进水管使水引入由壳体限定的水处理室，并且采用金属加热元件加热引入水处理室中的未经处理的水，以将未经处理的水中的溶解杂质转换成固体沉积物，并且收集从水中沉积设置在壳体上的收集器上的固体沉积物，而且电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体金属部分，其中壳体的至少一部分是金属的，壳体的金属部分和金属加热元件电连接，以使壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极。
本发明更深一层的适用性范围将从下面给出的详细描述中变得很明显。然而，应该理解的是，详细描述和特殊例子，同时由本发明优选实施例示出的例子仅仅作为示意性地给出，因此本发明范围之内的各种变化和修改对本领域技术人员来说从下面的详细描述中变得很明显。
图1是本发明一个实施例的水处理系统的示意图。
图2是本发明另一实施例的水处理系统的部分示意图。
具体实施例方式
如上面所概述的一样，本发明包括一种用于加热水的水加热器和方法，其中加热元件免受固体的沉积。如果没有如碳酸钙这样的固体沉积在加热元件的表面，加热元件就能够有效率并且有效地进行传热。固体沉积物，如碳酸钙沉积物将严重降低了热传导率和加热元件的效率。本发明也包括本发明水加热器的水处理系统和方法。固体沉积物在设计成去除这些杂质的水处理系统中是特殊的问题。本发明实施例的水处理系统在下面进行描述。
详细参考附图，在所述附图中，相同的附图标记表示相同的部件，图1示出了本发明一个实施例的水处理系统1。一般来说，水处理系统10包括外壳12、一次性并可替换的水处理筒14、热交换筒16、中间冷却器18、冷凝器20以及盛装已处理的水的容器21。水处理筒14和热交换筒16形成系统壳体，水流经所述系统壳体进行处理以去除杂质。
外壳12需要坚固的构造，如不锈钢、塑料、木材或其它类型的金属，并且具有检修孔，其能用门(未示出)密封。外壳中的通风孔允许冷空气流经壳体。
水处理筒14在图1中示出，其包括具有壳体24的水处理壳体22。壳体24包括金属圆柱体或金属容器26，其能够可移动地结合圆形头28，所述圆形头28结合外壳112中的安装板30。水处理壳体22限定水处理室32。未经处理的水的入口34延伸通过水处理壳体22的头28，并进入水处理室32。未经处理的水的入口34朝水处理壳体22的较低端排出未处理的水。处理过的水的出口36从水处理室32内延伸通过筒壳体22的头28。
可浸入水中的、金属制电加热元件38通过金属圆柱体26设置在筒壳体22中。加热元件38设置在用于与壳体中的水直接接触的水处理壳体22中，并且与水处理筒14的残余物一起处理。加热元件38用于充分加热在筒14的水处理室32中的水，以将未经处理的水中的溶解杂质转换成固体沉积物和气体。
包括钢或塑料网孔的收集器60设置在加热元件38和头28之间的水处理壳体22中。所述收集器60收集至少一部分在水处理期间从水中沉积的固体沉积物。精滤器62设置在收集器60上部的水处理壳体22中，并且收集在水处理过程中从水中沉积的沉淀物的相对细小部分。所述精滤器62包括多种金属，但优选包括聚酯毛织物。
水处理壳体22的头28中的排气管阀64通过排气管68周期性地排出筒14的顶部空间66中的气体。这些气体包括蒸汽、二氧化碳和在水处理期间从水中释放的其它杂质。
水位传感器70设置在精滤器62上方的水处理筒壳体22中，其示出了水处理筒14中的水位。温度测量装置72，如热电偶，设置在水处理壳体22的水处理室32中，其测量水处理室中的水的温度。作为可选择的方案，温度测量装置72能够结合水处理壳体的外部。蒸汽探测器(未示出)，如热控开关设置在排气管68中，其通过水处理筒14探测蒸汽的产生。
热交换筒16设置在水处理外壳12中，接近水处理壳体14，并且包括具有金属圆柱体或金属容器82和头84的热交换壳体80。圆柱体82可移动地结合所述头84。所述热交换壳体16也包括盘管86，以用于从水处理壳体14中接收处理过的水。所述盘管86延伸在处理过的水的入口88和处理过的水的出口90之间，所述处理过的水的入口88延伸通过热交换壳体80的所述头84，所述处理过的水的出口90在未处理的水的入口92内部延伸通过热交换壳体的所述头84。未经处理的水通过所述头84中的未经处理的水的入口88进入热交换筒壳体80。未处理的水的入口92在热交换筒壳体80的底端附近排出未经处理的水。未经处理的水的出口94也延伸通过热交换筒壳体80的所述头84，并且与水处理筒14的未经处理的水的入口92连接。
电接触95延伸通过热交换壳体80的金属圆柱体82，并且还通过用于将盘型加热管86连接到直流电源97上的绝缘包装96。所述直流电压源97具有正极98和负极99。正极98经由电线100连接到盘型加热管86上，负极99经由另一电线101连接到筒壳体80的金属圆柱体82上。因此，热交换壳体80的金属圆柱体82和盘型加热管86通过所述直流电压源97电连接，以使热交换壳体的金属圆柱体是阴极的，盘型加热管是阳极。否则，金属圆柱体82和盘型加热管86彼此电绝缘，如用绝缘包装96进行绝缘。下面更详细地描述水处理系统10的操作过程，电流从盘型加热管86流经热交换壳体80中的电解水，并到达热交换壳体的金属圆柱体82。与下面更详细地说明一样，所述电流为热交换壳体16的盘型加热管86提供阴极保护。
盘型加热管86的金属按需要慢慢进行电化学腐蚀。用于制造盘型加热管的合适材料包括在阴极保护中起阳极作用的所有材料。当使用外部能量供应时，用于制造盘型加热管86的合适金属包括在阳极极化下不会过多腐蚀的“贵重”材料。依赖于其腐蚀速率，它们能够分成三类。特别是，所需的材料包括碳素钢、硅铸铁、硅铸铬铁、石墨或碳。这些材料腐蚀速度为kg/A年。当然，这些材料的合金也合适。即使其腐蚀率高，碳仍然是良好的候补物质，因为电化学反应的优选产品是在阳极表面形成低pH的CO2(不会以低电流密度出现钙沉积)。更需要的材料包括磁铁矿、铁酸盐和其合金。它们的腐蚀速度为g/A年的量级。仍然更需要的合适材料包括具有铂层或公知的混合金属氧化物(Mix Metal Oxides)(MMO)材料的钛或铌基质。所有这些材料能够以粉末形式加入聚合母体中。例如，可能在现有的不锈钢盘管上模制外在导电聚合物。
任何金属适合制造热交换壳体80的金属圆柱体82。因为热交换壳体80的金属圆柱体82在电化学装置中起阴极作用，金属圆柱体不腐蚀，并且由廉价防的、腐蚀的金属制成。
中间冷却器18设置在外壳12中，并包括连接到水处理筒14的处理过的水的出口36上的盘管100。设置在外壳12中的风扇104强制气流通过外壳内的通风孔。
冷凝器20也设置在外壳12中，并且包括从水处理筒14中的排气管68延伸到外壳12中的出口112的管110。
生的未经处理的水经由总水管114进入水处理系统10，所述总水管114形成热交换壳体16的未经处理的水的入口92。从热交换壳体16中冷却的处理过的水经由出口管116排出至容器21。
为了开始操作水处理系统10，生的未经处理的水通过总水管114进入水处理系统，并且通过热交换筒16的未经处理的水的入口92排出到接近热交换筒壳体底端的热交换筒的壳体80。热交换筒16将未经处理的水从大约25℃加热至大约80℃。热交换筒116通过未处理的水的出口94排出经过加热的未经处理的水，所述出口94连接到水处理筒14的未经处理的水的入口34上。
水处理筒14的未经处理的水的入口34将经过加热的未经处理的水引入低于水处理筒壳体中的钢丝网收集器60的水处理筒壳体22中。在水处理室32中的加热元件38将未经处理的水加热至大约115℃。水通过收集器60和精滤器62慢慢向上流到水处理筒14的顶端。水处理筒14中的水的最小滞留时间大约是6分钟。加热水导致碳酸盐和重金属沉淀，以沉积在水处理筒的加热表面。粗糙的、更重的颗粒倾向于沉淀在水处理壳体22的底端，更细小的颗粒收集在收集器60和精滤器62中。另外，当水处理筒14中的水加热时，夹带的气体从水中释放入筒的顶部空间66，并且蒸汽形成在筒的顶部空间。当水处理筒14的水的温度达到115℃时，气体出口处的阀打开，将蒸汽和其它气体释放到冷凝器20。
冷凝器20中的气体，如蒸汽通过外壳12中由风扇182产生的加压气流在冷凝器中冷却。冷凝物排入滴水盘(未示出)或直接排出。
处理过的水的出口36从水处理筒壳体22将处理过的水排至中间冷却器18。由外壳12中的风扇104产生的加压空气将中间冷却器18中的处理过的水从大约115℃冷却至大约80℃。中间冷却器18通过处理过的水的入口88将处理过的水排入至热交换筒16的盘管86。经过处理的水流过盘管86的内部，并且从总水管114中的逆流的未经处理的水将经过处理的水从大约80℃冷却至从总水管中引入的未经处理的水的温度。
处理过的水的出口90将已冷却的处理过的水从热交换筒16排入容器21中。所述容器21容纳处理过的水，直到处理过的水进行分配，如使用来制造喷泉饮料。
中间冷却器18的目的是将处理过的水冷却至非常低的温度，以便不会引起通过热交换器的未经处理的水的硬度下降，并且在热交换筒16和将未经处理的水从热交换筒输送至水处理筒14的导管中形成水垢。
水处理系统10中的处理过的水包括离子，如钙离子和碳酸盐离子。因此，水稍微电解。通过将热交换壳体80的金属圆柱体82和盘型加热管86连接到直流电压源97上，以便金属圆柱体起阴极的作用，盘型加热管起阳极的作用，电流从盘型加热管流出，通过热交换器的筒16的水，并到达热交换80的金属圆柱体。所述电流的流向通过热交换壳体80的阴极金属圆柱体82和盘型加热管86之间的水形成电化学交换。在电化学交换中，接近盘型加热管86的表面处产生H+离子，接近金属圆柱体82的表面处产生OH-离子。因此，与热交换器筒16中的水无关，电化学交换使接近盘型加热管86的表面形成低pH，热交换壳体80的金属圆柱体82的表面形成高pH。碳酸钙从水中在高pH处沉积，但不是在低pH处。由于接近加热元件的表面的低pH，因此碳酸钙不会沉积在盘型加热管86上。而是碳酸钙倾向于沉积在热交换壳体80的金属圆柱体82上。因为碳酸钙没有沉积在盘型加热管86上，所以盘型加热管仍然保持干净，并且其水中的热传导率仍然相当高。这种效果维持热交换器筒16的效率比不进行电化学交换的情况下更高。如果不进行电化学交换，碳酸钙在盘型加热管86的表面将会增加，并且将盘型管与水绝缘。
由于电化学交换，盘型加热管86将慢慢地腐蚀，但是通过选择上述的合适金属，腐蚀就能够变得相当慢，以致不会影响热交换器筒16的元件的使用寿命。另一方面，电化学交换阻止壳体80的金属圆柱体82的腐蚀。因此，该容器能够由腐蚀的廉价金属制成。
采用热交换器筒16实现的相同电化学效应能够通过为盘型加热管86和热交换壳体80的金属部分选择在相同电解液中具有不同表面电势的金属可选择地获得。通过电连接这两种金属元件，如通过电线连接，当热交换器筒16充满水时，热交换壳体80的金属部分和盘型加热管86起电化学电池的作用。
图2简略地示出了具有与图1示出的前述系统10相同元件的可选择水处理筒130，但是还包括阴极保护。而且，这种可选择的水处理筒130包括金属电极132，其从水处理壳体22的容器本体24延伸入水处理室32。电线36将金属加热元件38连接到金属电极132上。金属电极132在水处理室32内隔开金属加热元件138。金属电极132适合由更贵重的金属制成，金属加热元件适合由不贵重的金属制成，以便金属电极和具有不同表面电势的金属加热元件在水处理室32中产生电流。金属电极132起阴极作用，加热元件38起阳极作用，以便电流从金属加热元件38流出，通过水处理室32，到达金属电极132。这就相对于图1示出的热交换器筒16产生了相同的电化学交换和所描述的效果。热交换器筒16能够以与图2示出的水处理筒14相同的方式在阴极保护的情况下设置。
当电流通过材料(“电箱”)之间的不同电势产生时，用于制造金属加热元件38的合适金属，其材料必须具有低的电势或高的腐蚀可能性。在电保护中通常作为阳极使用的材料是锌(Zn)，铝(Al-In)和镁(Mg)。它们的电效率分成三类Zn为95％，Al-In为80％，Mg为50％。电效率是实际消耗率与密度之比(法拉第消耗定律)。
虽然前面所述的实施例作为水处理系统进行描述，但是本发明的阴极保护能够应用于任何加热元件与水直接接触的水加热器。
本发明的水处理系统和方法几乎不需要控制，并且可以简单地维持和操作，而且相对便宜。特别是，一次性筒14和16相对简单，装置的非一次性元件几乎不需要维护。因此，所述系统能够实用地处理水，而不需要高的资本支出。
本发明的水处理系统和方法降低了水的硬度，并提供无菌水同时去除一些水中的杂质。提供一种在家中或商店用于去除微生物污染物、重碳酸盐硬度、VOCs/THMs、氯气、重金属和水的脱气的简单方法。可以获得技术监督或控制的高可靠性。所述系统和方法简单、方便。并且非合格人员也可以安全操作。而且，所述系统和方法仅仅需要很小的空间，因而进一步减少了整个费用。
因此，描述本发明，很显然在许多方面可以进行相同的变化。这些变化不会脱离本发明的精神和范围，并且所有的这些修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且包括在下面权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种水加热器，其包括限定水加热室并具有用于接收水的进水管和排出水的出水管的壳体，所述壳体的至少一部分是金属的；以及设置在壳体中用于加热水的金属加热元件，其中壳体的金属部分和金属加热元件电连接，从而使壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极，电流从金属加热元件流出、通过水、到达壳体的金属部分。
2.如权利要求1所述的水加热器，其中壳体的金属部分和金属加热元件与直流电压源电连接。
3.如权利要求1所述的水加热器，其中壳体的金属部分和金属加热元件具有不同的表面电势。
4.如权利要求1所述的水加热器，其中壳体包括具有壳体金属部分的容器本体。
5.如权利要求1所述的水加热器，其中壳体包括容器本体，壳体金属部分从容器本体延伸入水加热室。
6.如权利要求1所述的水加热器，其中金属加热元件包括从含有碳素钢、硅铸铁、硅铸铬铁、石墨、碳、磁铁矿、铁酸盐、铂和其合金的一组中选择的金属。
7.一种用于处理水的系统，其包括限定水处理室并具有用于接收未经处理的水的进水管和排出处理过的水的出水管的壳体，所述壳体的至少一部分是金属的；用于充分加热水的金属加热元件，以将未经处理的水中的溶解杂质转换成固体沉积物；以及设置在壳体中用于收集从水中沉积的固体沉积物的收集器；其中壳体的金属部分和金属加热元件电连接，壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极，电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体的金属部分。
8.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中壳体的金属部分和金属加热元件与直流电压源电连接。
9.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中壳体的金属部分和金属加热元件具有不同的表面电势。
10.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中壳体包括具有壳体金属部分的容器本体。
11.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中壳体包括容器本体，壳体金属部分从容器本体延伸入水处理室。
12.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中金属加热元件包括从含有碳素钢、硅铸铁、硅铸铬铁、石墨、碳、磁铁矿、铁酸盐、铂和其合金的一组中选择的金属。
13.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中金属加热元件是热交换器管。
14.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中金属加热元件是电加热元件。
15.如权利要求7所述的用于处理水的系统，其中壳体包括限定水处理室的第一容器和包括金属加热元件的第二容器，所述金属加热元件是热交换器管。
16.一种用于加热水的方法，其包括通过壳体中的进水管将水引入由壳体限定的水加热室，所述壳体的至少一部分是金属的；采用金属加热元件加热引入水加热室中的水，壳体的金属部分和金属加热元件电连接，以使壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极；以及电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体金属部分。
17.如权利要求16所述的方法，其中壳体的金属部分和金属加热元件与直流电压源电连接。
18.如权利要求16所述的方法，其中壳体的金属部分和金属加热元件具有不同的表面电势。
19.如权利要求16所述的方法，其中壳体包括具有壳体金属部分的容器本体。
20.如权利要求16所述的方法，其中壳体包括容器本体，所述壳体金属部分从容器本体延伸入水加热室。
21.如权利要求16所述的方法，其中金属加热元件包括从含有碳素钢、硅铸铁、硅铸铬铁、石墨、碳、磁铁矿、铁酸盐、铂和其合金的一组中选择的金属。
22.一种用于处理水的方法，其包括通过壳体中的进水管将未经处理的水引入由壳体限定的水处理室，所述壳体的至少一部分是金属的；采用金属加热元件加热引入水处理室中的未经处理的水，以将未经处理的水中的溶解杂质转换成固体沉积物，壳体的金属部分和金属加热元件电连接，以使壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极；用于收集从水中沉积到设置在壳体中的收集器上的固体沉积物；以及电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体金属部分。
23.如权利要求22所述的方法，其中壳体的金属部分和金属加热元件与直流电压源电连接。
24.如权利要求22所述的方法，其中壳体的金属部分和金属加热元件具有不同的表面电势。
25.如权利要求22所述的方法，其中壳体包括具有壳体金属部分的容器本体。
26.如权利要求22所述的方法，其中壳体包括容器本体，所述壳体金属部分从容器本体延伸入水处理室。
27.如权利要求22所述的方法，其中金属加热元件包括从含有碳素钢、硅铸铁、硅铸铬铁、石墨、碳、磁铁矿、铁酸盐、铂和其合金的一组中选择的金属。
28.如权利要求22所述的用于处理水的方法，其中金属加热元件是热交换器管。
29.如权利要求22所述的用于处理水的方法，其中金属加热元件是电加热元件。
30.如权利要求22所述的用于处理水的方法，其中壳体包括限定水处理室的第一容器和包括金属加热元件的第二容器，所述金属加热元件是热交换器管。
全文摘要
一种水加热器包括限定水加热室壳体，所述壳体的至少一部分是金属的；以及设置在壳体中用于加热水的金属加热元件，其中壳体的金属部分和金属加热元件电连接，壳体的金属部分是阴极，金属加热元件是阳极，电流从金属加热元件流出，通过水，到达壳体的金属部分。还公开了一种用于处理水的系统，其包括水加热器和设置在壳体中用于收集从水中沉积的固体沉积物的收集器。还公开了用于加热和处理水的方法。
文档编号F24H1/10GK1649795SQ03809429
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月9日 优先权日2002年4月26日
发明者克里斯蒂安·皮埃尔 申请人:可口可乐公司