水的净化设备的制作方法

专利名称:水的净化设备的制作方法
本发明涉及用除气和蒸馏的方法以除去水中所溶的各种气体和固体的水的净化领域。
世界许多地区均存在来自自然界和人为的严重水污染问题。美国西部的部分地区和世界其他许多地区都有二氧化硫、硫化氢和其他各种气体以及无机化合物含量很高的水存在，使这种水至少难以入口，甚至根本不能饮用，除非进行代价昂贵的净化处理。其他海岸地区虽有可容易得到的丰富的海水水源，但淡水很少。还有一些地区虽然有水源，但已被化工废料逐渐污染，以至必须进行大面积的净化处理才能再次为人类使用。本发明的目的是使这种水得以净化，并对这许多污染问题提供切实有效的经济的解决办法。
水的净化方法通常包括三个典型步骤。其一是用蒸馏的方法除去水中所溶的固态物质。另一净化步骤是把能够通过蒸馏过程的溶解在水中的气体除去。因此，除气步骤最好在蒸馏步骤之前进行。在许多净化程序中，这两步已经足够，然而在需要高纯度水的地方，还需要去除带电离子，这些离子如果不用其他方法除去，它们还能通过蒸馏过程。为了生产这种高纯度的水以满足医用需要和研究工作使用，去除这些离子是非常必要的。
由于许多净化工程需要生产大量的净水，因此提高能源利用效率来完成净化过程和降低净化过程的能源需求是至关重要的。
通过蒸馏使水净化的方法是众所周知的。人们也知道用降低水面上的大气压力以排除水中气体的方法;这种除气系统可见美国专利4407665号。人们还了解，开动与蒸馏系统相连接的除气装置，用降低蒸馏装置中的大气压力使水的沸点降低，从而使其在较低的温度下用较少的能耗更快和更经济地使水蒸发。本发明将除气和蒸馏两个净化过程进一步合并到所提供的一台装置中，从而可利用除气过程中失去的能量来辅助后面的蒸馏步骤。
本发明提出了一种水的净化装置，包括相互协同工作的一台除气装置和一台蒸馏装置，其中每一台装置在工作过程中都利用到局部真空。除气装置利用局部真空从水中除去溶解的气体，而蒸馏装置利用局部真空去降低水的沸点，以便在较低的温度下进行急速蒸发。
尽管众所周知用真空泵或将蒸馏装置置于高海拔位置以降低蒸馏设备中的大气压力，但本发明却是利用了竖直除气塔中水的落差来形成水面上的局部真空，从而避免了连续开动真空泵的耗费。该设备也可将降低压力的效果传到蒸馏装置，因而在蒸馏装置稳态工作时对真空泵的需求大为降低。
本发明利用与除气塔有关的热交换现象来提高下一步蒸馏步骤的效率，从而降低了对能量的需求。业已清楚，在除气步骤进行期间，被除去的气体在排除过程中得到加热，而与此同时，由于气体的排除，水就被冷却。本发明利用这种热交换现象，通过被加热的气体穿过位于蒸馏装置中的热交换器进行循环而将热量由气体传递到水中而使水蒸发，从而有助于下一步蒸馏过程。同时，由除气步骤产生的冷却液体环流到蒸馏装置，用来使该蒸发过程产生的水蒸汽冷凝。
本发明还给出一个离子去除装置，它同蒸馏装置合在一起，用位于沸腾器中水蒸汽路径上的电磁场使得从蒸汽中分离，将它们引向正极和负极。磁场还穿过沸腾器中的液体，在沸腾过程中，沸腾器中各处游荡的金属离子就同磁场相互作用而被感应加热，因此进一步将热量传递给沸腾器，从而有助于蒸馏过程。
联系附图从以下的描述中将更清楚本发明的其他目的和优点，图中相同标号代表几个视图的相同部件或类似部件。
图1是水净化设备第一个实施例的部分断面图。
图2是沿图1中2-2切面方向所示的图1中的离子去除装置的断面顶视图。
图3是沿图2中3-3切面方向所示的图2中的离子去除装置的断面侧视图。
图4是水净化设备第二个实施例的部分断面和所采用的多个除气塔的示意图。
参见图1，本发明水净化设备的第一个实施例10安装在一个固定面12上，它可用任何已知的方式与不清洁的水源相通，本文中称为不清洁水的进水管14。典型的是，需要净化的水的含有溶解的气体，例如空气、硫化氢、二氧化硫和其他气体，以及含有所溶的固体和生物有机体，如细菌、微生物、藻类等。
除气装置20包括一个除气容器22，它是一个密闭不漏气的桶，具有一个内腔24，可有选择性地抽空，使其成为接近真空，以便使腔室中的水除去气体。容器22具有坚硬的壁，并严格密封，以防止水由容器漏出，以及防止外部空气向腔室24产生不希望有的渗漏。由图可见腔室24中装有一定容量的不清洁的水26，其水位高低由带有浮球32的浮球阀28灵活控制。该浮球阀通过管18和阀16与不清洁水的进水管14相连接，通过插管30将不清洁的水引入腔室24。浮球32处于预定水位34之下，容易看出，当浮球再升到水位34时，通过阀28进入的水流就停止下来。
出水管36由容器22的底部25伸出，并连接到手动控制阀38，该控制阀与连接管40相接，并伸到蒸馏装置44的下部50。阀38可在关和开两个位置之间变动，但只允许水流沿方向31流动。
蒸馏装置44是靠支撑腿46或其他已知的替代支撑物支撑在表面12上的，它包括位于上部48的一个沸腾器42和一个既位于上部又位于下部的冷凝器52。沸腾器42采用了带有狭窄颈部56的内部沸腾室54，通过它水有上流，沸腾室内产生蒸发。当阀38被打开时，只要容器22和沸腾室的空间116中的压力相等，沸腾室中的水位126就同容器22中的水位34相平。
连接管47带有存水弯49，其一端装在容器22的水位34的紧上方，另一端装在沸腾器42的水位126的紧下方。通常该存水弯充满水到水面126位置，并且连接管具有下述两个作用。当沸腾器42中的蒸发过程使沸腾器空间116蒸汽压力上升时，此压力的升高使水位126稍微下降到某个较低的位置，此位置由压力增量的大小决定。如果没有连接管47，下降的水位就会迫使除过气的水流过管40而返回到容器22中。相反，有了连接管47，则空间116压力稍增加就会使稍许水由沸腾器42进入连接管49而流向容器22，直到容器22和沸腾室42的水面实际上相平为止。连接管47的另一作用是阻止沸腾室42中的水蒸汽由该接接管流到除气容器22中，即使沸腾室中水位下降较多而低于连接管47也无妨。因为空间116和腔室24之间的压差很小，不足以使存水弯49中的水流走，因此有了该存水弯就可阻断蒸汽流。
园形防溅板51固定在集管96的外缘上，用于挡住在急速沸腾过程中由水54中可能喷出的任何固体颗粒。
位于颈部56中的热交换螺旋管58通过排气道60和单向手动阀62连接到除气容器的顶部23上。因此，排气道60可以使腔室24上部的气体容量沿管道60抽出而通过热交换螺旋管58，靠接有电源69的真空泵66把排出气体由螺旋管58抽到管道64，再经排气口70使腔室24中的气体排入大气。
真空泵66是使腔室24中产生局部真空的一个部件。当腔室24被抽空时，腔室中较低的气压使污水26中溶解的气体几乎立即从污水中跑出。这些气体急速地变成气泡而到达水面34，然后由腔室24经过阀62顺管道60被抽走。当这些溶解的气体脱离水26的过程中，在水中进行了内部热交换，水26明显地降温，跑出的气体吸收掉水26损失的热量。因此，由于这些被加热的排气沿着排气道60並通过热交换螺旋管58被抽出，排气所携带的大部分热量将传给进入沸腾器42的水68，从而有助于使水68的温度接近其沸点。
在螺旋管58中进行了这种热交换之后，沿管道64的冷却气流经过真空泵66被抽走，由排气口70排入大气。因此，管路60和64、螺旋管58、排气口70以及阀62合在一起构成了以除气容器24顶部为起端的排气通道。
除气容器24中的冷却液体随后顺管路36和40进到冷凝器50。这里冷却水成了使沸腾器中产生的蒸汽冷凝的媒介，在下文中还将进一步描述。当蒸汽在冷凝器52中冷凝时，热量就由蒸汽传到环绕冷凝器52的水68中，这些热量促使水68升温。被加热的水最后流入沸腾器42，在那里它又蒸发。
蒸馏装置44包括一个位于沸腾器42中的加热螺旋管72，加热螺旋管72通过管路74连接，用以接收加热泵76的输出量。泵76压缩并加热一种冷却剂型的气体，如氟里昂，这种冷却气环绕在加热螺旋管72中，用来使沸腾室42里的水68加热而蒸发。螺旋管72的输出管78经阀80连接到一个膨胀阀82上，以便压缩由管路78出来的冷却气，再经阀82而膨胀，用作位于冷凝器中的冷却螺旋管84的冷却剂。螺旋管84的出口经管路86连接到加热泵76的入口，构成冷却气体的再循环。
管路89和一根平行的管路88相连，管路88包括一个阀90和一个带有电风扇94的散热器92。业已了解，有时需将经管路78而由沸腾器42流出的冷却剂在喷入冷却螺旋管84之前加以冷却。关闭阀80，使冷却剂顺平行管88经风冷散热器92流过，气体中多余的热量就能散失，从而使流到冷却螺旋管84的冷却剂具有较低的温度。当不需要散热器92时，关闭阀90，打开阀80，恢复螺旋管72和84之间的正常流动。
实施例10表明，利用加热泵76可为蒸馏过程提供必要的热量，然而应当知道，管路74还可以同其他热源，例如太阳能集热器、地热源等配套，利用这些热源，通常就不再需要加热泵76。
蒸馏装置的冷凝器52有一个吸入集管96，它处于装置44的上端，并有一个端部开口，以便接收由水68表面上126蒸发的水蒸汽。冷凝器集管96经冷凝管路98连接到冷凝器螺旋管100。冷凝器螺旋管浸没在进入下部50里的冷水里。由图可见，集管96、管路98和螺旋管100是有一定的构形和一定的螺旋管数目，然而，应当指出，这里的结构只是示意性的，用其他构形的冷凝器和另外长度的螺旋管也可以。部件96、98和100里的冷凝器管路的比横截面可大可小，以适应需冷凝物的容积变化。这些部件内径的确定，应当能使流经它们的蒸汽流连续，並防止这些部件被冷凝液体完全堵塞。为使腔室116中的抽空过程容易进行并保持其较低的压力，这种连续流动是必要的。螺旋管100的出口经冷凝器出口管102和阀104而通到净水水箱106中，这在下文中还要进一步说明。位于冷凝器螺旋管100下面的、沸腾器下部50底上的，是一个带有手动阀110的排碴管108，以便使蒸馏装置下部所积存的废碴可定期排放和定期清洗该装置。
位于沸腾器42的顶部附近，有一环形隔板132向内延伸，以便限定沿轴135的蒸汽通道，并且使之安放一组永久磁铁134。在沸腾器中心轴135一端的磁铁极性相同，例如图上所示的均为北极。该磁铁环，图2中更为清楚，即为产生磁场的部件，其磁力线平行伸向沸腾器的中心轴135。虽然由图看出该磁场是由永久磁铁产生的，但应指出，亦可以用电磁极来代替，仍属本发明的权限范围。
临近磁铁环顺着中心轴135并与其同轴的部位，装有一个同心的正电极或正极屏140和负电极或负极屏142，其上分别带有正电压V+和负电压V-。这些电极屏一起确定了其间的电场。
某些被污染的水源带含有带电离子，其中一些离子不能通过蒸馏有效地去除。当这些正负离子随着蒸汽从水面126流向集管96的入口136时，它们就穿过上述电磁场。由图2可清楚看出，一个正离子144，当它受到这些场的作用时，就被场加速而延径向144跑到负电极屏142上，在那里带电的屏142不断地收集并除去正离子。同样，一个负离子也受到电磁场的作用而延径向146跑到正电极屏140上，在那里屏上的正电荷不断地收集负离子。用这种方式，不希望有的杂质离子当它们随水蒸汽向上流到集管96入口处时就被除去。
利用磁场还有其进一步的作用。因为磁场穿透沸腾器大部分区域，通过感应可用于加热沸腾器中所溶的金属分子。在装置10运转时，有许多金属杂质存在，它们溶在不洁的水中，在沸腾期间，它们在沸腾器中来回流动。这些杂质，当穿过磁场时，就被感应加热，并将这些热量传递给周围的水68，促使加热的水达到其沸点。
净水水箱106是一个封闭的密封容器，通过单向阀112和管路114与排气道64相连，因而真空泵66能同时既抽空除气容器24，又抽空净水水箱106。应当指出，由水箱106内抽出空气，结果使沸腾室54顶部116也随着在真空泵66作用下流向入口136的气体和水蒸汽一起而被抽出。因此，沸腾器顶部的水68处于局部真空，从而使水68在低于海平面压力时的沸点212°F的温度下沸腾。由于空间116中的压力降低，水里较低温度下仍然产生急速沸腾。典型的是，所述的装置使水68在水温大约为50°F时就沸腾并有效地蒸发。
在净水水箱106的底部有一个出水口120，通过单向阀122同一个可拆卸的水的运输和储存容器124相连。容器124保持在局部真空状态。容器124可以是任何经过适当消毒的容器，当内部被抽空时，能经受得住大气压力，而且能够很容易地从已抽空的水箱，例如106上拆卸下来，而不允许所不希望的外部空气进入容器124中。应当注意，既然已生产出除过气的蒸馏水，并被储存到容器124中，因此需要避免在容器124里存在任何空气，以使水不再吸收大气中的气体或者再次被污染。
虽然图中所示出由手动阀16、38、62、80、90和104来控制流体的流动，但是应当指出，其中一些阀门或全部阀门均可用自动控制阀代替，这些自动阀可由远距离的控制系统控制，且这种替换也属于本发明的范围。
虽然图1给出了沸腾器和冷凝器的具体构形，但需指出，本发明亦可用许多其他类型的沸腾器和冷凝器来实现。例如，蒸馏装置44可安排成使沸腾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对其供水的冷却螺旋管。所有这些变换方式均属于本发明的范围。
对于实施例10的工作过程，操作者首先要关闭除气容器22的阀门38，并且打开阀16和62。当阀门16打开时，污水流经管路14、阀28和插入管30进入除气室24，直到浮球32升到预定的最高水位34，在该处浮球阀28关闭，以阻止污水进一步流入。
下一步操作者启动由电源69供电的真空泵66，以便从除气室24和净水水箱106中抽出空气。
当除气容器24中的压力下降时，溶解在水26中的气体开始从水中冒泡，并积蓄在腔室24中水面34的上方。当气体离开水26时，它们就沿着真空泵管路60、64和70按方向130被抽离腔室24，经真空泵66而排入大气。单向阀62可有效地防止这些气体回流到腔室24中。
在水26中溶解的气体变成气泡冒出水面，并不再与水相溶。依靠含在水中的热量被传递给由水中排出的气体，而存在着热交换的过程。这种热交换过程使气体离开溶液时被有效地加热，同时，由于热量传给了跑出的气体，因而水26被冷却。本发明利用这种热交换过程使设备得以简化。
下文还将进一步叙述到，排出腔室24的已升温的气体还将用于预热进入沸腾器42的水68，以促进水的蒸发过程，而容器24中被冷却和除过气的水26将用来供蒸馏装置44的冷凝器52作冷却介质。
在抽空除气室内部的过程中，已经发现，压力值接近0.1到1.0磅/平方英寸时，就能相当满意地除去流体中溶解的几乎全部气体。然而，尚需指出，这个压力范围可以是变化的，在某种程度上，它依赖于装置10所处工作环境的温度和压力以及污水的起始温度。
当腔室24经打开的阀62而被抽空时，真空泵66同时使净水水箱106经管路114被抽空。因为气体由沸腾器的蒸发室116被吸向水箱106，因而循着通过集管入口96、螺旋管100和管路102的路径，蒸发室116也同时被抽空。因此，腔室116、106和它们之间的连接管路中的气压也减少为局部真空。
在除气容器24里水26中的气体冒泡而到达腔室24的顶部之后，操作者关闭阀16并打开阀38，将冷却并除过气的水26排入管路40，从而进入蒸馏装置44。当冷却并除过气的水26进入冷凝器的下部50时，该冷却水即可作为冷凝剂用，这在下文中还将阐述。由除气室24和冷凝器50的尺寸决定，可能需要使相当于腔室24一倍以上容积的水除气，才能有足够的除过气的水将装置44充满到水位126。在本文的描述中，将假定装置10的水是充到水位34和126的，如图1所示，并且工作在稳定状态。
应当了解，每次除气容器24都是通过阀16和28来补充水的，然后这些水被除气。被加热的废气通过管路60排走，这些气穿过热交换螺旋管58。废气中所含的大部分热量通过螺旋管58传递给环绕螺旋管并与其接触的水68，因而在水68进入沸腾器42时就被加热。与此相应，当除过气的水沿管路40流入下部50并穿过螺旋管58上升而流向沸腾器42时，水被螺旋管加热。由于沸腾室54的116中气压在泵66的作用下明显下降，水68的沸点实际上低于212°F。水68的沸点可能降到低于100°F，这时对于水的蒸发来说，只需要较少的热量。由于存在上面叙述过的磁感应而产生的热量和由金属杂质传递给水68的热量，水68还接受附加的热量。
为了进一步对水68的蒸发提供热量，可接通加热泵76的电源，使被压缩的加热液体按照129方向沿管路74流入，从而使沸腾室42中的加热螺旋管72发挥作用。加热螺旋管72里的液体顺管路78流到平行支管88或89中。支管88经阀90与散热器92相连，该支管的用途将在下文中予以说明。支管89通过阀80提供压缩液体给膨胀阀82。膨胀阀的出口连接冷却螺旋管84，当压缩液体通过阀82膨胀后，螺旋管84就变冷，从而使下部50中的水冷却，这样就促使冷凝器52将其中流过的水蒸汽冷凝。然后液体由螺旋管84按127方向转向管路86，又转回到加热泵76。相应地，加热泵76向沸腾器供热，以使其所含的除过气的水蒸发，然后降温进入冷凝器。
当上部48里的水沸腾时，水蒸汽向上进入空间116，由于真空泵66的作用再被吸入冷凝器集管入口136。这些蒸汽经过冷凝器集管96和管路98向下流动进入冷凝螺旋管100。管路98和螺旋管100处于冷凝器依次下来的较低的位置上，因而可依次接触到水的较冷层。在螺旋管100里水蒸汽冷凝成液体，然后经过打开的阀104向下流入净水水箱106中。
当水面126由于沸腾器42中的水68蒸发而下降时，除气容器22里的水面34也下降，从而使阀28打开，通过插入管30就有污水补充进来。新补充进来的水使容器22和42的水面总保持在34和126位置上。由于容器22水面上保持有近似真空，补充进来的水在进入该容器之后几乎立刻被除气。在装置10处于稳定工作状态时，阀38一直打开。
装置10开始启动时，阀门38关闭，这时第一箱水需保存一个短时间，以便对容器22里的水除气。然后打开阀38，使这一箱水流到蒸馏装置44中。除气过程中再关上阀38，在容器22中又放入一箱水进行除气，然后再打开阀38排放，直到沸腾器42被除过气的水达到水位126为止。当水面达到126位置，整个连续稳定工作状态建立之后，阀38可保持在开启位置。
磁场138里向上移动的带电离子被加速而分别跑到正极屏140或负极屏142上，因而被屏捕获而除去。这些离子是随着水蒸汽一起跑到集管96的入口处136的。
净水充满水箱106时，通过管路120和阀122，按时排入可拆卸的、抽空的、密封的净水容器124中，以便储存或运输净化了的水。容器124的结构使之能防止任何外部污染物进入容器124或水箱106中。
如果需要对冷凝器螺旋管84进行辅助冷却的话，操作者可关闭管路89上通常是打开的阀80，同时打开阀90，从而使冷却剂转向而通过平行管路88和散热器92。风扇94可以起到进一步冷却通过散热器92的液体的作用，因此在其进入膨胀阀82之前就提供了经过进一步冷却的冷却剂。除非需要辅助冷却，否则阀90总是关闭，阀80总是打开的。
长期工作之后，杂质层就会聚集在蒸馏装置44的底部，应该打开通常关闭的排污阀110，通过排碴管108排出这些杂质。
同样，为了获得净化水的稳定工作过程，应当通过阀28使除气装置20保持在充满水的状态，并通过阀62把排出的气体抽走。当水面34随着沸腾室中液体蒸发而稍微下降时，通过阀28就流进一定量的水，进入减压容器24后就急速除气。流进的水灌到接近水位34的位置，使其能急速除气，并防止气体进到容器22的下部。从容器22的下部，除过气的水通过阀38被有规律地抽到沸腾器里。当除气容器24和沸腾室42中的水分别保持在水位34和126位置上时，装置10就可产生稳定的净化的水流而流入容器106。目前已知道，该设备所产生的净水，其纯度达到使其导电率接近18微欧，即使进来的水是通常的海水，其导电率也在5000微欧的数量级。这种水可以通过装置10进行再循环，从而获得更纯净的水。
接着参看图4。使本发明的水的净化设备具体化的第二个实施例200采用了一个蒸馏装置44′和一个净化水箱106′，类似于第一个实施例10中所述的装置，同时，将其与高效率的除气装置202组合起来。除气装置采用了多个塔，它既能使进来的污水除气，又可产生蒸馏装置44′所需要的低压，以使水能在大大低于212°F的温度下沸腾。装置44′不同于装置44，它没有离子消除部件。然而应指出，如果需要的话，这种离子去除部件也可装到设备200上。由于装置44和装置44′相当类似，装置44′中与装置44相同的部件将使用与装置44中相同的标号，只在其右上角加上一撇而已。
除气装置202采用了多个实际上相同的塔，图中标为塔204和206，还带有如图所示的供连接第三个塔用的接头。对只有如图所示的两个塔这种特殊情况，应当清楚，也可以用三个或更多的塔，这仍属于本发明的范畴。因为两个塔本质上是一样的，这里仅对塔204的结构和工作过程作详细说明。
塔204类似于1983年10月4日公布的Henry C.Las-ater的专利No.4407665所表明的除气装置，题目是“Liquid Degasfication Device”。塔204限定为一个竖直的适当的，且能密封的除气容器，其高度最好在33到60英尺范围或者更高些，它支撑在表面208上。
除气塔202的位置最好能使其上端低于污水源。其实，这种水源或许就是一位于较高处的瀑布或溪流。在重力作用下，该水流就能经塔的污水入口220使塔完全充满，而无需使用泵。入口220经控制阀222与除气室209相通。
出水管226连通到单向控制阀228上，它只允许水流由容器202流向蒸馏装置44′。单向阀228的出口连到管路40′上，再通向蒸馏装置44′。
支水管232由管路40上通到第二个单向控制阀228A和第二个除气塔206。单向控制阀228A只允许水从塔206流向蒸馏装置44′。管路234从管路232经单向阀228B与管路226A相连。如果对于所发明的系统尚需加第三个塔时，则管路226A还要同第三个除气塔相接。若不用第三个塔，则阀228B就一直关闭。
塔204有一条经单向阀240通到其上端的抽空管路238。该单向阀允许空气和其他气体由管路238流向塔204，下文还将说明。抽空管路238连同与其相接的抽空管路246和248一起共有一条减压导管，它接到水箱106′上。抽空管路248经单向阀252连在除气塔206的顶端。阀门252设计成允许空气和其他气体由管路248流向塔206。第三条抽空管路254经手控单向阀256伸出，如果需要第三个塔的话，供连接第三个塔用。当使用第三个塔时，它也构成减压导管的一部分。上述抽空管路，即管路238、248和246，连同阀222、222A、240、252、228和228A一起构成了一套系统，用于使除气塔204和206以及蒸馏装置44′中形成合乎需要的局部真空，这在下文中还将阐述。真空泵66′和阀263有时也作为形成局部真空的该系统的一部分而起作用，特别是在装置200的启动过程中。
排气管260通过单向阀262连接到塔204的顶部。该单向阀允许气流由塔204沿管路260流出。排气管260与排气管60′相连，再与蒸馏装置44′的热交换螺旋管58′连接。由螺旋管58′流出的气体经管路64′、单向阀263、真空泵66′和排出口70′排走。同排气管60′相连的还有第二个排气管266，它经过单向阀270通到除气塔206的顶部。阀门270连通后空气和其他气体可以由塔206出来流向阀门270。排气管路还连接到第三个单向阀298上，如果用到第三个塔，则再接到第三个塔的顶部。若不用第三个塔，阀298一直关闭。这样，管路260、60′、58′、64′和266，与阀262、263、298和270一起构成了从塔204和206进行排气的排气通道。真空泵66′连接在阀263和出口70′之间，用于启动该系统，这将在下文中阐述。
虽然阀222、222A、228、228A和228B在图文中均当成是手动操作的，但需指出，如果必要，这些阀门也可以用适当的传感器使其能远距离控制，还可以配合自动控制系统，以完成所述的充排步骤。这些变换方式均属于本发明的范畴。
第二个实施例的操作过程如下。实施例200的设备最好建立在这种地方，使该处的污染水源位于设备200建造处的上方。这种较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净化设备200，而无需用泵将其泵入塔204和206的顶部。在水源的水位低于塔高的地方，可以用泵将水提升到塔顶。这种变动也属于本发明的范畴。
在连续稳定工作状态开始之前，操作者首先打开入口阀222和222A，并关闭阀228和228A，让污水分别从入口220和220A进入除气塔204和206，从而启动设备200。让每一塔中的水升到塔顶，塔中原有的空气被迫上升，并分别通过塔204和206的阀门262和270。当污水基本充满塔时，关闭阀222和222A，污水停止流入。
下一步操作者启动真空泵66′，以继续其准备工作，同时打开阀112′、104′和122′，以便从管路和水箱中抽出空气，使之向上而排出真空泵66′。随着这些阀门打开，排气管路64′、58′、60′、260和266中的空气基本上被排掉。与此同时，净水水箱106′和124′、螺旋管100′、集管96′以及蒸馏装置44′未充满部分里的空气也被排走，其内部近似真空。先前在塔204和206中的气体，被上升的水面向上推入排气管道260和266中后，在真空泵66′的作用下，也被排除掉。
在塔充满水的过程中，分别为塔204和206出水管上的阀228和228A一直关闭。之后，打开这些阀门，再关闭真空泵66′。真空泵66′停止工作后，单向阀263可防止空气通过真空泵66′进入该系统。打开阀228，使塔204中的水通过阀228流出并进入蒸馏装置44′。同时，打开阀228A，让污水通过阀228A流出塔而进入装置44′中。
由于水从塔204和206中排放，使塔里的水下降到一个平衡水位，典型的状态是低于塔顶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状态。由于形成了近似真空，污水中原来溶解的气体便从溶液中跑出，并几乎立刻变为气泡冒出塔中的水面。当气体离开溶液时，它们从水中吸收热量，因而其温度比水温高。由于气体带走了热量，塔中的水明显变冷。排出气体的过程，实际上与真空的产生是同时发生的。因此，这些溶解的气体，其中可能包括氧气、氮气、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫等等，都跑到每个塔里水面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，排出的水向上流入装置44′中达到一个平衡水位295，该水位基本上与水位294和294A相平。
再将阀228和228A关闭，然后打开阀222和222A。补充的污水从污染水源流入塔204和206，再使水面升到塔顶。升高的水面对原来在水中后来从溶液中跑出来的热气体加压，使其向上运动，并通过单向阀262和270从塔中出来。这些被排放的气体沿着排放管道流向热交换螺旋管58′。使用单向阀可防止这些气体回流到塔中，至此，准备阶段完成。实施例200的稳定工作状态将在下面讨论。
在以稳定状态工作期间，塔204和206都将被水重新充满到塔顶，并将交替排出，以保持近似真空，从而满足除气和有效蒸馏的需要。在描述以稳定状态连续工作时，假定两个塔已完成准备阶段并充满了水;所有的水管也都充满水;从两个塔顶部接出的并延伸到净水水箱106′的抽空管路260和266基本上真空的。还假定，与任选的第三个塔相关的阀门，即256、298和228B是关闭的。在净化装置工作时，阀228和228A将交替打开和闭合。
下面叙述蒸馏装置44′的操作方法。应当指出，该装置的操作基本上与第一个实施例44相同。当加入的除过气的水经入口40′进入沸腾器的下部时，除过气的冷水首先用来冷却冷凝螺旋管100′，然后穿过螺旋管58′向上流动。穿过螺旋管58′向上流动的水吸收螺旋管58′里热废气的热量，然后水又向上流入沸腾器。在沸腾器里，加热螺旋管72′增加了来自热泵76′的附加热量。为了达到所要求的沸腾速度，这可能是需要的。由电源69′供电的加热泵76′所产生的热量通过管路74′输送到加热螺旋管72′。冷却剂气体离开螺旋管72′，沿着管路78′，通过阀80′和其路径上的管路89′流向膨胀阀82′，再进入冷却螺旋管84′。冷却剂沿管路86′经截流阀275返回加热泵。在进入膨胀阀82′之前，若需要进一步使冷却剂冷却时，可关闭阀80′，打开阀90′，使冷却剂在进入膨胀阀82′之前通过散热器92′。装置44′中沉积的残碴通过阀110′排出。由于在空间296保持有局部真空，从而进一步加速了水的沸腾，使水在相当低的沸点下沸腾。采用装置44′，在50°F到100°F之间，很容易达到沸腾。随着急速蒸发，装置44′的水面295下降，这时补充的水就从塔204和206交替地补充进来，下面还将予以描述。
当沸腾室中的水面下降到低于水位295时，操作者打开出口阀228，使塔204底下的除过气的水顺管路226向外流入装置44′的冷凝器。
当阀228打开时，塔204的水面可下降到比塔204顶部低30-60英尺的水位294。在塔204更下面的原有的水位下排放，并流向蒸馏装置44′，直到装置44′中的水位295基本上与水位294相同为止。当塔204里的水面下降时，塔内水面294上方形成了局部真空。与水位的下降和局部真空的形成实际上同时发生的是，塔204水中溶解的气体跑出溶液，并且实际上直接变成气泡冒出水面294而进入水面294上方的空间。在一个短时间内，即大约在10到30秒，塔204内新补充进的污水基本上被除去气体。
由于从塔204中排放水期间水面294的下降，抽空管路238里的空气或气体都通过单向阀240跑到塔204顶部的抽空空间中，从而有效地从管路238、248和246中抽出了空气和其他气体。这样就使净水水箱106′被抽空，并且使沸腾器的空间296中的水蒸汽被抽向集管96′。因此，当塔204的水下降时，水位的下降和由于水位下降所造成的近似真空，有助于从净水水箱106′中抽出气体，从而保证水箱中不再有气体重新溶解到最后储存在水箱中的净水里。另外，塔204中水位的下降保持了塔204中除过气的水上方的局部真空，这样，任何尚未离开溶液留下的溶解气体将继续跑出水面。
当溶解气体离开塔204中的水溶液时，存在一个热交换过程，因此气体实际上被加热，留下来的除过气的水，因将其热量传给了气体，故其温度明显下降。这时的水，温度实际上较低。当打开阀228时，它就流入装置44′中，供冷凝螺旋管100′使用。
这时，操作者关闭阀门228，打开塔的入口阀222，使补充的污水进入塔204。由于塔204的水面上升，水面294上方跑出的加过温的废气被向上推，经单向阀262、管路60′和热交换螺旋管58′而离开塔。在螺旋管58′里，气体所携带的热量传给了沸腾器中的水，从而使水在蒸发前预先被加热。这时，变冷的废气顺管路64′流动，并通过出口70′排放到大气中。如果需要，可间断地使用真空泵66′，以进一步增加排放的气体离开该系统的速度。
当装置44′里的蒸发使其中的水耗尽时，第二个塔206将通过阀228A从它原先充满水的状态下被排放。以除去塔206水中的气体。在关闭入口阀222的情况下，操作者打开排水阀228A。随着水通过管路226A离开塔而流入装置44′，塔206的水面往下降至水位294A。当水位下降到294A时，水里所含的所有溶解气体都基本上离开了溶液，并直接变成气泡冒出水面294A。在塔206的除气过程中，发生热交换，因此，气体从水中带走大量的热量，而使水成倍地降温。
至此又做好了使塔重新充水的准备。操作者打开阀222A并关闭阀228A，使水面从水位294A上升到塔顶。随着水面的上升，塔内水面294A上方的热废气被向上推，并流出单向阀270，沿着排气管路266和60′流动。然后，这些热气体流经热交换螺旋管58′，将热量传递给装置44′中的水，并通过管路64′和出口70′排放到大气中。
随着塔206内的水面下降，水面294A上方形成了真空，该真空造成通过单向阀252抽入一些空气或气体，因此有助于管路248、246和238的抽空。由于这些管路被抽空。净水水箱106′也保持真空。另外，由于管路246通过净水水箱106′而与冷凝器螺旋管100′和集管96′相通，塔206所造成的真空也把沸腾器顶部296中的蒸汽引向冷凝集管96′内。如上所述，由于采用两个或多个塔来保持真空，在实施例200处于稳定工作状态时，有可能大大减少对开动真空泵66′的需求。
这样，塔204和206被交替重复用于对进入塔里的水除气，从而在上述部分构件中建立起局部真空。塔所造成的近乎真空，还使加热排出的气流向螺旋管58′，从而使环绕螺旋管的水加热。除气步骤之后，保持冷却的水用来冷凝装置44′中的蒸汽。
由于塔204和206的水面下降，在沸腾器里水上方的空腔296中的压力一直处于较低数值，这样，随着两个塔中任何一个里的水面下降，都有助于把蒸汽从空间296引向集管96′的顶部。如果还需要减小压力，可间断地开动真空泵66′。由于沸腾器中水的蒸发，水蒸汽流向集管96′，并向下穿过冷凝器螺旋管100′，螺旋管100′与进来的除过气的冷却水保持不断地接触。螺旋管100′和集管96′中的水蒸汽冷凝为水滴，并向下排放到净水水箱106′中。当水箱充到一定容量时，排放阀122′打开，并将水向下排放到可拆卸的密封容器124′中，该容器定期取走和更换。
看完以上描述之后，最好还要了解，要求所安装的塔204和206的容积要比蒸馏装置44′的容积小，以便装置44′能够以与一个塔每次排放到装置44′去的水的容积相协调的速率来蒸发它的水，並与这种排放的频率协调。自然，具有一定容积和构形的装置44′，应确保集管96′的入口总是处于装置44′中水面的上方。
虽然实施例200仅示出和详细解释了两个塔的情况，但应知道，也可以采用三个或更多的塔，所用的每一个塔都能很好地对其中的水除气，并且有助于在装置44′、净水水箱106′和集管96′中造成局部真空。
使用本发明提供的装置，可解决大部分水的污染问题，无论是气体、固体还是离子，都可得到很好地消除。该设备非常有效，并且特别适合处于高处的印刷场所;在那里污水水位高于所连接的净化装置，因而可以依靠重力使水充满该装置。在实践本发明时，使用所发明的除气塔，可使整个净化设备保持一个有效的真空度，并且仅仅使用塔就能维持真空。因此，使水流过该装置并保持真空所需要的能量就大为减少，从而对存在着污染问题的许多地方，用低成本将水净化就成为切实可行的事了。
虽然对本发明最佳实施例作了以上具体描述，但是应当指出，对此可以作各种变换和修改，而不脱离本发明和下面提出的权利要求
条款的精神。
权利要求
1.一种固定在一个表面上的水的净化设备，用来使含有溶解气体和其他固体杂质的污水除气和蒸馏，且与电源相接，包括一个除气装置，用来从污水中排出所溶解的气体，它包括一个用于容纳污水的除气容器，该容器有一个顶部，一个底部和一个水的入口，还有一个水的出口，所说的容器应构成适当的密封，以使其中至少保持局部真空；一个蒸馏装置，用来从污水中除去固体杂质，且与所说的除气容器的上述出口相连，使其液流相通，从而由其导入除过气的水，该蒸馏装置包括一个沸腾器，一个冷凝器，和一个净水水箱；一套系统，用来使上述除气容器和上述蒸馏装置中形成适当的局部真空，从而在所说的容器中产生被冷却和除过气的水，以及在该被冷却和除过气的水的上方产生加过温的气体，并使上述蒸馏装置里的水具有较低的沸点；以及一条气体排放通道，由所说除气容器的顶部接出，且包括一个气体出口，所说的排放通道，用于接收从所说除气容器的水中出来的加过温的气体，以及用热交换的方式至少同上述装置之一相联系，将热量从该排放通道里接收的加过温的气体传给冷却的除过气的水，从而使除过气的水加温。
2.如权利要求
1所述的水的净化设备，其中所述的气体排放通道伸到所说的蒸馏装置中，以便将热量传递给所说的蒸馏装置里的除过气的水。
3.如权利要求
2所述的水的净化设备，其中所说的气体排放通道穿过所说的沸腾器，并且包括一个螺旋管，以传导的方式将热量传递给所说的沸腾器里的水。
4.如权利要求
1所述的水的净化设备，其中所说的用于形成局部真空的一套系统包括一台接有电源的真空泵，该真空泵与上述除气容器的顶部相连，以便对该容器抽真空。
5.如权利要求
4所述的水的净化设备，其中所说的真空泵被连接到上述气体排放通道的气体出口处。
6.如权利要求
1所述的水的净化设备，其中所说的气体排放通道包括一个单向阀，它安装成允许污水中排出的气体从所说的除气容器里流出。
7.如权利要求
1所述的水的净化设备，其中所说的净水水箱与上述蒸馏装置的冷凝器相连，使其液流相通，以接收蒸馏水，所说的用于形成局部真空的一套系统与上述净水水箱相连，以使该水箱保持局部真空。
8.如权利要求
1所述的水的净化设备，其中所说的除气容器至少有33英尺高，所说的用于形成局部真空的一套系统包括阀门组件，该阀门组件与上述除气容器相连，使该容器能被污水充满到选择好的位置，所说容器的顶部密封，从该容器的底部按需要排出水，因此在该容器的顶部形成局部真空。
9.如权利要求
8所述的水的净化设备，还包括一条与上述除气容器顶部相通的减压导管，所说的净水水箱与所说的冷凝器相连接，以容纳由该冷凝器来的水，且与上述减压导管相连，以便利用所说容器内的局部真空来保持该净水水箱里的局部真空。
10.如权利要求
8所述的水的净化设备，其中所说的除气装置还包括第二个除气容器，其高度至少为33英尺，并与上述蒸馏装置相连，使其液流相通。
11.如权利要求
1所述的水的净化设备，其中所说的蒸馏装置包括一个处于所说沸腾器中的蒸汽通道，还包括一套用来顺着该蒸汽通道形成一个电场的组件，所说的电场组件包括一个正电极和一个负电极，它们由电源供电，用于分别吸引并捕获沿上述通道运动的负离子和正离子。
12.如权利要求
11所述的水的净化设备，其中所说的通道有一个规则的几何横截面，所说的电场组件有其中的一个电极，其中心基本上处于该横截面上，而另一个电极，位于该横截面的周边附近。
13.如权利要求
12所述的水的净化设备，其中所说的中心处于该横截面上的电极是正电极，而处于所说周边上的电极是负电极。
14.如权利要求
12所述的水的净化设备，其中所说的处于上述周边上的电极的形状为园筒形，并且沿上述通道的周边延伸。
15.如权利要求
11所述的水的净化设备，其中所说的磁场组件包括多个环绕上述蒸汽通道周边的磁铁，面对该通道的磁极是相同的。
16.如权利要求
11所述的水的净化设备，其中所说的蒸馏装置还包括一套用于产生一个磁场的组件，该磁场组件沿所说蒸汽通道安放，使该磁场具有沿该通道延伸的磁力线，以使沿该通道运动的离子受力而移向上述其中一个电极，从而去除蒸汽中的离子。
17.如权利要求
16所述的水的净化设备，其中所说的磁场形成组件位于所说沸腾器的附近，故所说的磁场穿过沸腾器里的水，因此，当水沸腾而使其他杂质穿过磁场时，由于磁感应而使水中的这些杂质加热。
18.一种水的净化设备，它用于使含有溶解气体和其他杂质的污水除气和蒸馏，并可与电源连接，包括一个除气装置，用来从污水中排出所溶解的气体，它包括多个除气容器，用于容纳污水，每个容器都有一个用来接收污水的入口，有一个顶部，一个底部和一个水的出口，每个所述的容器应做成必要的密封，以使其中保持局部真空，每个所说水的出口包括一个单向阀，它允许除过气的水从每个容器中流出，所说的出口在上述单向阀的下流彼此平行连接着;一个蒸馏装置，用来从污水中除去其他杂质，且与所说除气容器的平行连接的水出口相串联，使其液流相通，从而由其导入除过气的水，该蒸馏装置包括一个沸腾器和一个与上述平行连接的水出口相连以使其液流相通的冷凝器;以及一套系统，用来使上述每个除气容器和上述沸腾器中形成适当的局部真空，从而在所说的容器中产生冷却过和除过气的水，以及在该除过气的水的上方产生加过温的气体，并使上述沸腾器里的水具有较低的沸点。
19.如权利要求
18所述的水的净化设备，还包括一条气体排放通道，由所说的每一个除气容器的顶部接出，并且包括一个气体出口，所说的排放通道用于接收从每一个除气容器的水中排出来的气体，以及用热交换的方式至少同上述装置之一相联系，将热量从通道里被加温的气体传递给被冷却的除过气的水，从而使除过气的水加温。
20.如权利要求
19所述的水的净化设备，其中所说的气体排放通道伸到蒸馏装置中，以便将热量传递给蒸馏装置里的除过气的水。
21.如权利要求
20所述的水的净化设备，其中所说的气体排放通道穿过沸腾器，并且包括一个螺旋管，以传导的方式将热量传递给该沸腾器里的水。
专利摘要
一种高效水净化设备，包括一个除气装置，一个蒸馏装置和一个离子去除装置，用于使污水净化。将除气装置抽成局部真空时，溶解的气体脱离开水，产生热交换过程。一条气体排放通道使被加热的气体进入蒸发装置中的加热螺旋管中，使水预热蒸发。同时将冷却的除过气的水导入冷凝器使蒸汽冷凝。除气装置可包括一个或多个塔。减压导管将塔中的真空传导给上述蒸馏装置和水箱使其达到真空，从而使蒸馏装置在较低的温度下达到沸腾。
文档编号B01D1/30GK87101601SQ87101601
公开日1987年9月9日 申请日期1987年2月3日
发明者亨里·C·拉萨特 申请人:亨里·C·拉萨特导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan