устройство для опреснения морской воды

Формула изобретения

1. Устройство для опреснения морской воды, содержащее два герметичных бака, соединенных паропроводом, первый бак имеет нагнетающий и сливной трубопроводы, нагнетающий трубопровод снабжен насосом для непрерывной подачи опресняемой воды в первый бак, второй бак имеет трубопровод для дистиллированной воды, баки соединены с устройством для нагрева воды и конденсации ее паров, представляющим собой холодильник, трубопровод с нагретым хладагентом которого находится ниже уровня воды в первом баке, а трубопровод с охлажденным хладагентом находится во втором баке, при этом в первом баке имеется датчик нижнего предельного уровня вода, отличающееся тем, что баки установлены на высоте не менее максимальной высоты столба жидкости водяного барометра над уровнем опресняемой воды, в первом баке над зеркалом воды установлена система испарения, состоящая из ряда пластин, расположенных одна над другой с небольшим уклоном относительно горизонтального положения, и насоса для подачи опресняемой воды из бака на верхнюю пластину, во втором баке установлена система конденсации, состоящая из системы орошения с форсунками и насоса для подачи в форсунки более холодной, чем пар, дистиллированной воды, при этом трубопровод с охлажденным хладагентом холодильника расположен ниже уровни дистиллированной воды во втором баке, каждый бак имеет обратный клапан и датчик полноты бака, расположенные в его верхней части, а на паропроводе установлена крышка.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пластины установлены в шахматном порядке, причем наклон последующей пластины имеет обратное направление к предыдущему.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пластины установлены в виде винтовой поверхности.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что форсунки системы орошения установлены под углом к оси бака так, что струи воды, выходящие из них, образуют однополостный гиперболоид вращения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам опреснения морской воды и может найти применение в проектировании и изготовлении опреснительных станций для получения пресной воды для сельского хозяйства, промышленности и коммунального хозяйства.

Существует несколько способов получения пресной воды: выпаривание, электродиализ и обратный осмос [1, 2]. Все эти способы достаточно сложные и энергоемкие.

Удаление солей из воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде (несколько мг/л), называется обессоливанием, а удаление солей до концентраций, допустимых при применении воды для питья (до 1 г/л), - опреснением.

Обессоливание воды электродиализом или обратным осмосом характеризуется существенно меньшими энергетическими затратами по сравнению с традиционной дистилляцией. При электродиализе используют селективные ионообменные мембраны.

При обратном осмосе - полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие растворенные минеральные и органические вещества.

Расход электроэнергии на 1 м ³ воды, обессоленной электродиализом, составляет не менее 30 кВтч, а обратным осмосом не менее 15 кВтч.

Электродиализом воду можно обессолить на 90%, обратным осмосом - на 98%.

В установках обратного осмоса рабочее давление достигает 5-10 МПа (50-100 атмосфер).

Как видно, обессоливание воды электродиализом или обратным осмосом сопряжено со значительными затратами электроэнергии, изготовлением достаточно сложных и дорогих опреснительных установок, постоянным контролем их работоспособности, ремонтом, заменой мембран, имеющих ограниченных срок службы и т.п.

Есть еще способ дистилляции морской воды, основанный на законе уменьшения температуры кипения воды при уменьшении давления над ее поверхностью [3].

Если снизить давление над поверхностью воды, то начнется интенсивное испарение даже при температуре, близкой к температуре замерзания. Интенсивность испарения зависит от температуры воды и разности давлений между давлением над ее поверхностью и давлением насыщенных паров при данной температуре. При достижении над поверхностью воды давления, равного давлению насыщенных паров воды при данной температуре, кипение прекратится. Если непрерывно удалять образовывающиеся пары воды, то процесс кипения будет продолжаться. Этого можно достичь двумя способами: откачиванием паров вакуумным насосом с последующей их конденсацией вне зоны пониженного давления или конденсацией паров и удалением конденсата из зоны пониженного давления. В качестве третьего варианта используется комбинация указанных способов [4, 5].

Недостатком указанного способа является сложность и дороговизна оборудования опреснительной установки. Его используют, в основном, на морских судах, при сравнительно небольших объемах производства пресной воды. Себестоимость пресной воды, полученная по этому способу, достаточно велика и соизмерима с простым выпариванием.

Изобретение [6] является наиболее близким прототипом заявленного способа.

Недостатком указанного решения является низкая производительность опреснительной установки.

Устранение указанного недостатка осуществляется следующим образом.

Для того чтобы не тратить энергию на создание вакуума в баке, используется принцип перевернутой U-образной трубки, заполненной водой, концы которой опущены в воду. В этом случае в верхней части трубки создается пониженное давление. При длине концов каждой трубки более 10-ти метров в верхней ее части вода разрывается, а над поверхностью устанавливается давление, равное давлению насыщенных паров воды при данной температуре.

Герметичный бак поднят на высоту примерно 10,5 метров. В нем имеется три трубопровода: нагнетающий, сливной и для дистиллированной воды, нижние концы которых находятся ниже уровня опресняемой воды. Вода под собственным весом стремиться опуститься вниз, но ей противодействует атмосферное давление, поэтому уровень воды опустится, примерно, до 10-ти метров над уровнем опресняемой воды. Над водой в баке образуется пониженное давление. На нагнетающем трубопроводе установлен насос, который постоянно подает свежую воду в бак, а из него вода самотеком выходит обратно в море по сливному трубопроводу. Таким образом, вода попадает в зону пониженного давления, где происходит ее интенсивное испарение.

Рядом с баком расположен холодильник, имеющий два трубопровода с холодным и нагретым хладагентами, которые расположены внутри бака. Холодильник предназначен для конденсации паров воды. Трубопровод с нагретым хладагентом находится ниже уровня воды в баке и отдает ей свое тепло, а трубопровод с охлажденным хладагентом находится выше уровня воды в баке и отбирает тепло у пара. Пар конденсируется на холодном трубопроводе и по нему стекает в трубопровод для дистиллированной воды, а из него в емкость для дистиллированной воды.

Первым недостатком указанного устройства является низкая удельная производительность опреснительной установки, так как скорость испарения воды прямо пропорциональна площади зеркала воды в опреснительном баке. Для получения высокой производительности опреснительной установки требуется изготовление герметичного бака большого диаметра.

Вторым недостатком данного устройства является низкая скорость конденсации паров воды на трубопроводе с холодным хладагентом, так как из-за большого поверхностного натяжения воды капли не могут начать скатываться с трубопровода, пока не достигнут определенного размера. В результате этого трубопровод покрывается значительным слоем воды, препятствующим передаче тепла от пара к холодному трубопроводу.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Указанная цель достигается тем, что для увеличения открытой площади воды, на которой происходит испарение, внутри бака над зеркалом воды устанавливаются пластины с небольшим уклоном относительно горизонтального положения, причем наклон последующей пластины имеет обратное направление к предыдущему. На верхнюю пластину непрерывно льется опресняемая вода из бака. Вода с верхней пластины стекает на ниже установленную пластину, меняет направление течения на противоположное, опять стекает на ниже установленную пластину, меняет направление течения и так до уровня воды в баке. Таким образом, испаряемая площадь воды увеличивается в десятки раз. При небольшом диаметре бака можно получить большую площадь испарения.

Конденсация паров воды происходит на поверхности холодной воды или трубопроводов с холодным хладагентом. Скорость конденсации прямо пропорциональна площади контакта паров с холодной поверхностью. Так как площадь трубопроводов с хладагентом ограничена внутренним объемом верхней части опреснительной установки, то увеличение скорости конденсации паров воды возможно только на поверхности холодной воды, которая распыляется внутри верхней части опреснительной установки. Капля воды, падая, захватывает пар и конденсирует его на себе. Увеличивая объем орошения, можно многократно увеличить количество сконденсированной воды.

Так как объем верхней части опреснительной установки используется для оросительной установки, конденсирующей пары воды, то для охлаждения воды, поступающей на орошение, ее охлаждают в специальном баке и насосом подают в оросительные форсунки. В этом баке расположен трубопровод с охлажденным хладагентом, который охлаждает воду, используемую для орошения.

Сущность изобретения поясняется двумя чертежами.

На фиг.1 показана опреснительная установка, внутреннее устройство, на фиг.2 показан вариант исполнения опреснительной установки.

Устройство опреснительной установки для осуществления предлагаемого способа представляет собой два герметичных бака 1 и 2, установленных на подставке 3, соединенных между собой паропроводом 4. Верхние части баков находится выше максимального уровня столба воды 5 (уровень столба воды в трубке, запаянный конец которой расположен сверху, а открытый конец опущен в воду) относительно уровня опресняемой воды 6 (уровень моря).

Бак 1 имеет два трубопровода: нагнетающий 7 для морской воды и сливной 8 для рассола. Бак 2 тоже имеет два трубопровода: для слива дистиллированной воды 9 и нагнетающий для пресной воды 10. Нижние концы всех трубопроводов расположены ниже уровня опресняемой воды. Нагнетающий трубопровод для морской воды 7 снабжен водозаборником с фильтром 11 и насосом 12. Нагнетающий трубопровод пресной воды 10 снабжен запорным устройством (краном) 13 и насосом 14.

Нижний конец сливного трубопровода 8 снабжен запорным устройством (кран) 15, открывающим или закрывающим его.

Трубопровод для дистиллированной воды 9 содержит запорное устройство (кран) 16.

Для нагрева опресняемой воды и конденсации пара предназначен холодильник 17, расположенный рядом с баками 1 и 2.

Из холодильника 17 в бак 1 идет трубопровод с нагретым хладагентом 18, который находится ниже уровня воды в баке и нагревает ее, а в бак 2 идет трубопровод с охлажденным хладагентом 19. Трубопровод с охлажденным хладагентом 19 служит для охлаждения дистиллированной воды, которая с помощью насоса 20 поступает в форсунки 21 оросительной системы бака 2.

Сверху баки 1 и 2 имеют обратные клапаны 22, которые открываются при повышении давления в них и закрываются при понижении давления ниже атмосферного, и датчики полноты бака 23. Эти датчики сигнализирует о полном заполнении баков водой. Внутри бака 1 имеется датчик нижнего предельного уровня воды 24. Высота нижнего предельного уровня воды 25 выбирается из условия, чтобы трубопровод с нагретым хладагентом 18 всегда был ниже уровня воды в баке, то есть полностью закрыт водой.

Над зеркалом воды установлен ряд пластин 26, одна над другой, с небольшим уклоном относительно горизонтального положения, причем наклон последующей имеет обратное направление к предыдущему. На верхнюю пластину непрерывно поступает опресняемая вода по трубопроводу 27, которая берется из этого же бака 1 и насосом 28 в него подается. Вода с верхней пластины стекает на ниже установленную пластину, меняет направление течения на противоположное, опять стекает на ниже установленную пластину, меняет направление течения и так до уровня воды в баке.

На паропроводе 4 со стороны бака 1 установлена крышка 29. Водяной пар по паропроводу 4 поступает в бак 2 и попадает в зону системы орошения каплями холодной дистиллированной воды. Холодные капли падают вниз и захватывают пары воды, конденсируя их на себе. Сконденсированная дистиллированная вода по трубопроводу 9 стекает вниз в приемный бассейн для дистиллированной воды 30. Так как выходное отверстие трубопровода 9 из бака 2 находится выше трубопровода с холодным хладагентом 19, то вода всегда закрывает этот трубопровод.

Принцип действия опреснительной установки заключается в создании пониженного давления над поверхностью воды, что приводит к ее закипанию, интенсивному парообразованию и последующей конденсации паров воды в специальном приемнике. Пары воды конденсируются и сливаются в бассейн для дистиллированной воды 30.

Для того чтобы не тратить энергию на создание вакуума в баке, используется принцип перевернутой U-образной трубки, заполненной водой, концы которой опущены в воду. Вода стремится вытечь из трубки, но ей противодействует атмосферное давление. В этом случае в верхней части трубки создается пониженное давление. При длине трубки более 10-ти метров в верхней ее части вода разрывается, а над поверхностью устанавливается давление равное давлению насыщенных паров воды при данной температуре. В бак 1 закачивается опресняемая вода при закрытом кране сливного трубопровода 15. Клапан 29 на паропроводе 4 закрывается. Одновременно в бак 2 закачивается пресная вода. Воздух из баков выходит через обратные клапаны 22, расположенные в верхних частях баков 1 и 2. Когда баки 1 и 2 наполнятся и вода начнет выливаться из них через обратные клапаны, по одновременным сигналам от датчиков полноты баков 23 открываются краны 15 сливного трубопровода и трубопровода для дистиллированной воды 16.

Включается холодильник 17, предназначенный для охлаждения дистиллированной воды и одновременного нагрева опресняемой воды. Трубопровод с нагретым хладагентом 18 находится ниже уровня опресняемой воды в баке 1 и отдает ей свое тепло, а трубопровод с охлажденным хладагентом 19 поступает в бак 2 с дистиллированной водой и охлаждает ее. Охлажденная дистиллированная вода с помощью насоса 20 поступает в форсунки 21 оросительной системы бака 2, выходя из которых, она разбивается на капли, которые, падая вниз, захватывает пары воды, конденсирует их на себе и по трубопроводу 9, стекает вниз в приемный бассейн для дистиллированной воды 30.

Если не обеспечить непрерывную подачу свежей воды в бак 1, то концентрация соли в нем будет возрастать вплоть до полного выпадения соли в осадок. Это может привести к потере работоспособности опреснительной установки. Для предотвращения увеличения концентрации соли выше заданного предела в бак 1 по трубопроводу 7 насосом 12 непрерывно подается свежая опресняемая вода. Рассол с повышенной концентрацией соли самотеком по сливному трубопроводу 8 непрерывно удаляется из бака 1.

Так как в воде всегда присутствует растворенный воздух, то он будет выходить из воды и скапливаться над поверхностью воды. Особенно интенсивно это происходит при пониженном давлении. По мере выхода воздуха уровень воды в баках будет понижаться. Когда уровень воды опустится до трубопровода с нагретым хладагентом 18, производительность установки начнет уменьшаться, так как начнет уменьшаться теплопередача опресняемой воде, а часть тепла будет передаваться пару, снижая эффективность работы холодильника.

Для предотвращения остановки дистилляции нужно периодически удалять скопившийся воздух.

Это достигается тем, что при опускании уровня воды в баке до предельного установленного уровня 25 датчик нижнего предельного уровня воды 24 вырабатывает сигнал, по которому закрываются краны в сливном трубопроводе 8 и трубопроводе для дистиллированной воды 9, а кран 13 на нагнетающем трубопроводе для пресной воды 10 открывается. Вода по нагнетающему трубопроводу 7 продолжает заполнять бак 1 водой и воздух, скопившийся над поверхностью воды, выдавливается через обратный клапан 22 в атмосферу. Одновременно включается насос для пресной воды 14. Вода заполняет бак 2 и воздух, скопившийся над поверхностью воды, выдавливается через обратный клапан 22 в атмосферу.

Для предотвращения смешения пресной и соленой воды при заполнении баков через паропровод 4 служит клапан 29, который закрывается в момент начала процесса выдавливания воздуха.

Когда вода начнет выливаться из баков через обратные клапаны 22, датчики полноты баков 23 вырабатывают сигнал, по которому открываются кран 15 на сливном трубопроводе 8 и кран 16 на трубопроводе для дистиллированной воды 9, выключается насос для пресной воды 14 и закрывается кран 13 нагнетающего трубопровода. Обратные клапаны баков 22 закрываются, уровень воды опускается, над поверхностью воды опять создается пониженное давление, и процесс дистилляции возобновляется.

Второй вариант исполнения опреснительной установки заключается в том, что пластины 26, предназначенные для увеличения площади зеркала воды, установлены в виде винтовой поверхности и по ним вода стекает вниз.

Третий вариант исполнения опреснительной установки заключается в том, что форсунки системы орошения повернуты относительно оси бака таким образом, что оси форсунок образуют однополостный гиперболоид вращения.

Источники информации

1. Химическая энциклопедия. В 5-ти т. - М.: Советская энциклопедия, 1988.

2. Физическая энциклопедия. В 5-ти т. - М.: Советская энциклопедия, 1988.

3. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1981. - 400 с., ил.

4. Патент России №2142912, класс C02F 1/04.

5. Патент России №2206510, класс C02F 1/04.

6. Патент России №2087421, класс C02F 1/14.