СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕМОМ И СОЛЕНОСТЬЮ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК B01D1/00 C02F1/04 

Изобретение относится к способам управления объемом и соленостью жидкости в резервуаре.

Во многих странах мира сельскохозяйственные культуры орошаются речной водой или водой, хранящейся в резервуарах. Эта вода обычно содержит небольшое количество солей, которые оседают в орошаемой почве после орошения культур. Эти соли имеют тенденцию наносить вред сельскохозяйственным культурам, посаженным на орошаемой почве. Для решения этой проблемы количество орошаемой воды, применяемой в почве, увеличивается выше уровня, необходимого для роста культур, путем наводнения полей, выщелачивая тем самым соли из верхнего слоя почвы. Во многих местах предусматривается система подземных дренажных труб для сбора избыточной воды, содержащей выщелоченные соли, и транспортировки жесткой солоноватой воды в систему дренажных каналов. Эти каналы собирают и транспортируют жесткую солоноватую сельскохозяйственную воду для устранения из использования.

В некоторых местах, подобных долинам Империаль и Центральной в Калифорнии, жесткая солоноватая вода транспортируется канальной системой в конечный резервуар, созданный человеком, например Салтон-Си, резервуар Кестерсона и др. Идеально жесткая вода в этих резервуарах может транспортироваться по каналу до океана и тем самым устраняться из использования. В местах, где вода не может легко перекачиваться или транспортироваться в океан, резервуары становятся большими и все более концентрированными, вызывая разные экологические проблемы, связанные с высокими концентрациями солей. Дополнительно наличие токсичных загрязняющих веществ в почве, которые выщелачиваются из нее в течение длительного периода времени, ведет к высоким концентрациям загрязняющих веществ (подобно селену и другим тяжелым металлам) в резервуарах.

Значение проблемы по устранению сельскохозяйственных дренажных вод иллюстрируется на примере рассмотрения Центральной долины и долины Сан-Жоакина в Калифорнии. В долине Сан-Жоакина текущая потребность в устранении сельскохозяйственной воды составляет 40-50 миллионов галлонов в день (или 44800-56000 фут акров в год). В будущем предполагается, что такое большое количество как 600000 фут акров из долины Сан-Жоакина и 2 млн. фут акров из Центральной долины должны ежегодно устраняться в течение последующих 20 лет.

Техническое решение этой проблемы состоит в создании канальной и насосной системы для транспортировки жесткой солоноватой воды из резервуара с указанными скоростями в открытое море. Такая система будет очень дорогой и сложной по конструкции и эксплуатации по причине расстояний и возвышенностей резервуаров относительно уровня моря. Поэтому цель изобретения состоит в создании нового и усовершенствованного способа и средства для устранения жесткой солоноватой воды из резервуаров, которые являются более эффективными с точки зрения стоимостных затрат.

Согласно предлагаемому изобретению способ управления объемом и соленостью воды в резервуаре, который принимает жесткую солоноватую воду, включает в себя стадии испарения воды из жидкости, перекачиваемой из резервуара, для образования концентрированного раствора (рассола), использования солярного коллектора в качестве источника горячей жидкости, переноса тепла от горячей жидкости для усиления процесса испарения и затем устранения результирующего концентрированного раствора.

Эксперимент показывает, что в резервуаре соленость сельскохозяйственной дренажной воды, которая должна устраняться, составляет около 10000 частей на миллион. По причине химического состава этого раствора (включения сульфата натрия) раствор вероятно может концентрироваться до 350000 частей на миллион. Это приводит к сокращению объема жидкости примерно в 35 раз. Это 35-кратное сокращение объема значительно снижает количество жидкости, которое должно быть выброшено в открытое море или другим путем. Таким образом, изобретение обеспечивает способ быстрого и значительного сокращения объема раствора, который должен быть устранен независимо от применяемого способа. Предпочтительный способ устранения результирующего концентрированного раствора состоит в образовании солярного водоема соленой воды. Традиционный водоем соленой воды имеет верхний конвекционный слой номинально около 25-50 см глубины в зависимости от окружающих погодных условий, промежуточный напластованный неконвекционный солнцевоспринимающий слой номинально глубиной около 1-2 м и нижний теплоаккумулирующий слой, глубина которого может изменяться в пределах 2-5 м. В предлагаемом изобретении глубина теплоаккумулирующего слоя зависит от количества концентрированного раствора, который должен устраняться.

Известно, что соленость конвекционного или смешанного ветром слоя менее 5% тогда как соленость солнцевоспринимающего слоя изменяется с глубиной примерно от 5% в верхней части до 30% в нижней [1] Соленость теплоаккумулирующего слоя является равномерной с глубиной и составляет около 30%
В традиционном солярном водоеме соленой воды солнечное излучение проникает в водоем, нагревая воду в смешиваемом ветром слое, в солнцевоспринимающем и теплоаккумулирующем слоях. Так как смешиваемый ветром слой является конвекционным, практически все поглощенное им тепло возвращается в атмосферу в результате теплопроводности, по этой причине этот слой должен быть по возможности мелким. Тепло, поглощенное солнцевоспринимающим слоем, захватывается в нем, потому что этот слой является неконвекционным, и действует как изолятор в отношении теплоаккумулирующего слоя. По истечении периода времени температурный профиль водоема будет почти полностью согласовываться с его профилем плотности. Потенциально температура в теплоаккумулирующем слое может достигать свыше 100^оС.

В изобретении предусматривается, что тепло, содержащееся в теплоаккумулирующем слое, доступно для нагревания жидкости, перекачиваемой из резервуара, с целью усиления ее скорости испарения. Предпочтительно вода испаряется из жидкости, взятой из резервуара, путем распыления жидкости в воздухе, образуя душ капель. Для максимализации процесса испарения могут использоваться способы [2] и [3] Согласно способу [2] размер капель в капельном душе и их высота относительно резервуара для сбора капель выбираются с расчетом, что капли в душе взаимодействуют с воздухом, так что практически перенос всего тепла и пара происходит в условиях, когда латентный тепловой поток в силу испарения жидкости из капель по существу равен чувствительному тепловому потоку и каплям из воздуха. Говоря иначе, большинство жидкости, которая испаряется, подвергается испарению в условиях постоянной энтальпии. Результатом является быстрый и эффективный процесс испарения, энергетические затраты которого состоят лишь в нагнетании воды в разбрызгиватель на заданную высоту.

Чтобы эффективно использовать тепло теплоаккумулирующего слоя солярного водоема для усиления испарения из испарительного водоема, который принимает воду из резервуара, силовая установка может быть связана с соляным водоемом. Такая силовая установка работает по циклу Ренкина и включает в себя испаритель, реагирующий на раствор из теплоаккумулирующего слоя солярного водоема для испарения органической рабочей жидкости, турбогенератор, реагирующий на испаряемую рабочую жидкость, образуемую испарителем, для образования мощности и теплообедненной рабочей жидкости, конденсатор для конденсации теплообедненной рабочей жидкости и образования конденсата, который возвращается в испаритель, и устройство, посредством которого жидкость обменивается между конденсатором и испарительным водоемом. Благодаря этому тепловой источник для силовой установки образуется из тепла, содержащегося в теплоаккумулирующем слое, и теплоотвод силовой установки образован испарительным водоемом. Силовая установка генерирует мощность, которая может использоваться для привода различных насосов, необходимых для разбрызгивания и переноса жидкостей между резервуаром, испарительным водоемом и системой, для устранения концентрированного раствора, так что вся система энергетически является эффективной. Кроме того, тепло, отклоняемое конденсатором, может использоваться для усиления испарения воды из испарительного водоема.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [4] в котором водный раствор соли в резервуаре содержит верхний слой, нагреваемый солнечными лучами. Ниже расположен средний слой, имеющий направленный вниз градиент плотности рассола. Ниже среднего слоя расположен слой, накапливающий тепло. В известный способ включен тепловой контур, имеющий двигатель, испаритель и холодильник. Рассол перемещают из нижнего резервуара в испаритель теплового контура. Затем перемещают из верхнего слоя в холодильник для повышения тепла рассола верхнего слоя путем дополнительного испарения и увеличения концентрации рассола. Периодически рассол верхнего слоя отводится в испаритель, где повышается его концентрация благодаря испарению. Использованный рассол заменяют новым, плотность которого меньше плотности отведенного рассола.

На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.

В устройстве, реализующем данный способ, солярный водоем образован путем использования испарительного водоема, работа которого усиливается благодаря использованию тепла, отводимого от силовой установки, взаимодействующей с солярным водоемом.

На чертеже показано устройство для управления объемом и соленостью воды в резервуаре 11, который является открытым телом жесткой солоноватой воды, находящейся под воздействием окружающих (погодных) условий. Резервуар принимает дождь и отдает воду в результате ее испарения. Дополнительно сельскохозяйственная вода течет в резервуар, как показано на чертеже. Резервуар 11 является конечным (непротечным) озером подобно Солтон-Си. Приток сельскохозяйственной воды значительно превышает отток в результате испарения. Как следствие, размер озера, а также его соленость со временем увеличиваются.

Устройство включает в себя водозаборник 12, который принимает воду из резервуара 11 и работает как зона отстойника, в которой создают осадки, захваченные из резервуара. Вода из водозаборника 12 переводится посредством насоса 13 и фильтра 14 на конденсатор 15 силовой установки 16. Вода из конденсатора 15 переводится по трубопроводу 17 на испарительную станцию (водоем) 18, смежную с резервуаром 11. Вода из конденсатора 15 может переводиться непосредственно на систему 19 разбрызгивания.

С испарительной станцией 18 взаимодействуют водоем и установленная на соответствующей высоте система 19 разбрызгивания, которая принимает жидкость в результате работы насоса 20. Таким образом, на испарительной станции 18 жидкость из водоема, которая используется для охлаждения конденсатора 15, разбрызгивается в воздух в виде капель. Вода испаряется из капель, когда они падают обратно в водоем и образуют более концентрированный раствор. Конструкция системы 19 разбрызгивания может соответствовать устройству и способу [2] являющимся эффективным средством, в котором концентрируется нагретый раствор, выгружаемый из конденсатора. Давление пара нагретого раствора увеличивается, облегчая испарение воды, содержащейся в растворе. В результате процесс испарения усиливается.

Система 19 испаряет большое количество воды из жидкости в резервуаре, образуя очень концентрированный раствор, который затем перекачивается насосом или другим средством в водоем 21 кристаллизации. В последнем концентрация такая высокая, что менее растворимые соли (хлорид натрия) выпадают в осадок из раствора. В результате концентрация жидкости, содержащейся в водоеме 21, будет превышать 30% Высококонцентрированный раствор затем по трубам переводится в зону 22 разрежения и образует часть потенциального солярного водоема. В случае полного снижения давления концентрированный раствор может смешиваться со свежей водой для образования солнцевоспринимающего слоя. Когда этот водоем завершен, он становится доступным для генерирования электричества и процесс повторяется для образования нового солярного водоема.

Таким образом, жесткая солоноватая вода, содержащаяся в резервуаре 11, сначала быстро и эффективно концентрируется с помощью смонтированной на соответствующей высоте системы 19 разбрызгивания. Хлорид натрия и другие менее растворимые соли оседают в водоеме 21 кристаллизации, и очень концентрированный раствор доступен для образования теплоаккумулирующего слоя и солнцевоспринимающего слоя солярного водоема.

С данным устройством взаимодействует работающий солярный водоем 23, который включает в себя смешиваемый ветром слой 24, солнцевоспринимающий слой 25 и теплоаккумулирующий слой 26. Профиль солености этого водоема показан кривой 27. С практической точки зрения соленость смешиваемого ветром слоя 24 является однородной, равной примерно 5% В солнцевоспринимающем слое соленость увеличивается от 5% в верхней части до 30% (примерно) в нижней части. Концентрация в теплоаккумулирующем слое около 30% или больше.

Известно, что температурный профиль водоема 23 будет приближаться к профилю солености по истечении некоторого периода времени. Когда это происходит, температура воды, содержащейся в теплоаккумулирующем слое 26, будет приближаться к 100^оС, при этом вода способна действовать в качестве источника тепла для силовой установки 16.

Силовая установка 16 предпочтительно является силовой установкой на основе органической жидкости с циклом Ренкина. Для этой цели силовая установка 16 включает испаритель 28, который принимает горячий раствор из теплоаккумулирующего слоя 26 и разгружает более холодный раствор в аккумулирующий слой на уровне, совместимом с температурой раствора.

Испаритель 28 содержит органическую рабочую жидкость (например, фреон), которая испаряется в процессе теплообмена, протекающем в испарителе. Испаряемая органическая жидкость подается на турбину 29 турбогенератора 30. Расширение парообразной рабочей жидкости происходит в турбине 29, побуждая генератор 31 генерировать электричество. После расширения в турбине 29 теплообменная рабочая жидкость выводится в конденсатор 15, который отводит тепло в испарительный водоем 18 благодаря работе насоса 20 и соединению конденсатора с резервуаром 11 через насос 13. Как показано, жесткая солоноватая вода из резервуара 11 также образует формирующую воду для солярного водоема 23 с учетом испарения. Наконец, независимо от термодинамического цикла или типа используемой рабочей жидкости в силовой установке существенный отличительный признак предлагаемого изобретения состоит в создании теплового двигателя, в котором тепло отводится в водоем станции 18.

При функционировании устройства солярный водой 23 является операционным и новый солярный водоем создается, как показано под зоной 22, используя раствор, который концентрирован в водоеме 18. Жесткая солоноватая вода из резервуара 11 сначала значительно концентрируется в результате работы разбрызгивающей системы 19 для образования концентрированного раствора, который используется для образования теплоаккумулирующего слоя и солнцевоспринимающего слоя в новом солярном водоеме. Энергия, необходимая для привода разных насосов, образуется на выходе генератора 31 силовой установки 16, которая использует тепло, накопленное в теплоаккумулирующем слое 26 операционного солярного водоема. Отвод тепла от конденсатора 15 в испарительный водоем 18 значительно усиливает действие процесса испарения. Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает быстрый способ эффективной концентрации жесткой солоноватой воды, содержащейся в резервуаре. Значительно сниженный объем воды устраняется при создании дополнительного солярного водоема. Большие количества жесткой воды эффективно снижаются в объеме благодаря использованию данного изобретения. Кроме того, солярные водоемы, выполненные таким образом, могут использоваться для генерирования электричества. Далее концентрированный раствор, образованный работой системы 19, доступен для использования при стабилизации солнцевоспринимающего слоя в операционных солярных водоемах (водоем 23), описанных в патенте США N 4440148.

Преимущество в виде улучшенных результатов достигается благодаря способу и устройству согласно предлагаемому изобретению.

Использование: для концентрирования рассолов. Сущность: объем и соленость воды в резервуаре, который принимает жесткую солоноватую воду, упаривают путем испарения воды из жидкости, взятой из резервуара, для образования концентрированного соляного раствора. Теплоаккумулирующий слой солярного водоема используется как источник тепла для усиления испарения воды из жидкости, взятой из резервуара. Концентрированный раствор, полученный в результате испарения воды, сбрасывается, например, в образуемый дальнейший солярный водоем. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕМОМ И СОЛЕНОСТЬЮ ЖИДКОСТИ, включающий заполнение резервуара жесткой солоноватой водой, перенос тепла от теплоаккумулирующего слоя солярного водоема на предварительный подогрев воды и ее испарение, отличающийся тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, жидкость переводят из резервуара в отдельный испарительный водоем, испарение воды осуществляют в испарительном водоеме путем ее распыления в воздухе, повышают давление пара распыленной воды за счет ее предварительного подогрева и отводят образовавшийся концентрированный раствор с последующим образованием дополнительного солярного водоема. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перенос тепла осуществляют посредством турбогенераторного контура, заполненного рабочим агентом, за счет испарения рабочего агента при теплообмене с теплоаккумулирующим слоем солярного водоема, направления рабочего агента на расширение в турбогенератор с получением внешней работы и конденсации рабочего агента при теплообмене с исходной жесткой солоноватой водой.