СОЛНЕЧНАЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК C02F1/14 

Настоящее изобретение относится к гелиотехнике, а более конкретно к солнечным опреснительным установкам непрерывного действия.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному решению является солнечная опреснительная установка, содержащая теплоизолирующий кожух с нижней теплоемкой панелью, над которой установлены ряд выпуклых промежуточных панелей со сборниками конденсата по периферии, подведенные к кожуху патрубки для подачи соленой воды и отвода опресненной воды и коллектор для отвода рассола. Подача соленой воды осуществляется через размещенные между панелями оросители для равномерного распределения воды, подключенные к патрубкам для подачи соленой воды.

В этой установке реализуется регенерация тепла, выделяющегося при конденсации паров воды на нижней поверхности каждой последующей панели, используемого для испарения соленой воды с верхней поверхности указанных панелей.

Однако эта известная опреснительная установка вследствие принятого способа подвода соленой воды к каждой панели через разветвленную систему оросителей неэффективна и ненадежна в работе в условиях обеспечения достаточно большой ее производительности.

Дело в том, что для того, чтобы добиться равномерного распределения соленой воды по верхней поверхности панелей оросители должны иметь большое количество отверстий, расположенных на расстоянии, по крайне мере, не более, чем 100 мм друг от друга (при большем расстоянии между отверстиями не будет обеспечено равномерное растекание воды по панелям, что приведет к их частичному засолению).

Для модуля опреснительной установки площадью 10 м² (со стороной ≈3,2 м) число отверстий в оросителе с двумя рядами отверстий составит n=64. В опреснителе, например, с десятью панелями, расположенными на расстоянии Δ= 100 мм друг от друга, высота столба, под давлением которого вода истекает из отверстий оросителя, размещенного над теплоемкой плитой, составляет h nΔ = 1м и, следовательно, скорость истечения воды будет равна 4,4 м/сек. Максимальное значение удельного расхода опресняемой воды при обычном для южных широт уровне потока солнечной радиации q_с=750 вт/м² составляет 0,32•10^-3 кг/м²•сек и при площади 10 м² расход воды равен C=3,2•10^-3 кг/сек. Тогда легко определить диаметр отверстий в оросителе где: μ=0,6 коэффициент расхода для отверстий, ρ = 1000 кг/м³ плотность воды. Подставляя n=64 и W=4,4 м/секунд, найдем d=0,155 мм.

Очевидно отверстия столь малого диаметра будут быстро засоряться и опреснитель выйдет из строя. Если отверстия будут иметь приемлемый для эксплуатации диаметр, например, d= 0,6 мм, то придется увеличить расход воды, подаваемой в опреснитель в (0,6/0,155)²=15 раз, что потребует большого расхода тепла на подогрев избыточного расхода воды, пропускаемой через опреснительную установку, и свидетельствует о низкой эффективности последней по выходу опресненной воды, особенно в условиях с переменной величиной потока солнечной радиации, имеющего место в реальности.

Цель настоящего изобретения состоит в повышении эффективности и надежности функционирования солнечной опреснительной установки.

Для достижения поставленной цели в известной установке, содержащей теплоизолирующий кожух с теплоемкой нижней панелью и рядом установленных над ней промежуточных панелей со сборниками конденсата, указанные панели выполнены с отбортовкой в виде противней и снабжены установленными между смежными панелями дренирующими трубками, верхние обрезы которых расположены в горизонтальных плоскостях, лежащих выше поверхности соответствующих панелей и ниже краев отбортовок этих панелей. При этом патрубок подачи соленой воды подведен к поверхности верхней промежуточной панели, а дренирующие трубки нижней панели объединены в коллектор для слива рассола.

Промежуточные панели выполнены прозрачными для солнечной радиации и поглощающими инфракрасное излучение, например, из теплопроводного стекла или из стекла из армированного теплопроводными элементами, например, медными, а нижние концы патрубка подвода соленой воды и дренирующих трубок промежуточных панелей снабжены боковыми выходными отверстиями.

Такое выполнение установки позволяет в максимальной степени использовать энергию солнечной радиации для опреснения соленой воды, обеспечить оптимальный уровень заполнения водой противеней и слив избытка рассола, исключив возможность засоления панелей.

Подключение полости установки к вакуум-насосу позволяет повысить скорость испарения воды и конденсации ее паров.

Установка датчика электромагнитного расходомера на сливной трубке коллектора обеспечивает возможность реализовать надежное регулирование подачи соленой воды в опреснителях большой производительности, состоящих из рада модулей.

Предлагаемое техническое решение способствует повышение эффективности и надежности работы солнечной опреснительной установки.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез опреснительной установки.

Установка состоит из верхней прозрачной для солнечной радиации и поглощающей инфракрасное излучение наклонной панели 1, изготовленной, например, из стекла, нижней зачерненной поглощающей солнечную радиацию теплоемкой панели 2, теплоизолирующего слоя 3, теплоизолирующего кожуха 4, ряда промежуточных наклонных панелей 5 (на чертеже изображены только две из них), прозрачных для солнечной радиации, изготовленных из теплопроводного стекла, или из стекла армированного теплопроводными (например, медными) элементами 6. Панели 2 и 5 выполнены с отбортовками 7 в виде противеней и снабжены вертикальными дренирующими трубками 8, установленными между смежными панелями. Установка содержит, размещенный над верхней панелью 5, разветвленный водопроводящий патрубок 9, сборники конденсата 10, установленные наклонно у нижнего края панелей 1 и 5, и расположенные под панелью 2 нагревательные элементы 11 (например, электронагревательные) Наклон сборников не показан.

Нижняя панель 2 своей отбортовкой 7 вплотную прилегает к кожуху 4 установки. Между отбортовками 7 промежуточных панелей 5 и кожухом 4 оставлен зазор для свободного прохода водяных паров.

Верхний обрез дренирующих трубок 8 расположен в горизонтальных плоскостях, лежащих на величину h выше поверхности соответствующей панели 2 и 5 и ниже, чем высота H отборотовок 7 этих панелей. Нижние концы водоподводящего патрубка 9 и дренирующих трубок 8 расположены ниже плоскостей, в которых лежат верхние обрезы дренирующих трубок 8 смежных нижележащих панелей 2 и 5, и снабжены боковыми отверстиями 12 для выхода воды, поступающей в установку и перетекающей через трубки 8. Минимальная высота h, на которую дренирующие трубки 8 выступают над поверхностью панелей 5 (с учетом их наклона), выбрана с таким расчетом, чтобы при заполнении этих панелей водой обеспечивалось покрытие всех их поверхности с запасом порядка 5-10 мм.

Дренирующие трубки 8 панели 2 подключены к общему коллектору 13 для отвода избыточного рассола. На сливной трубе 14 имеется участок 15 из немагнитного материала (например, полиэтилена), на котором установлен датчик 16 электромагнитного расходомера. Далее сливная труба 14 подсоединена к насосу 17.

Внутренняя полость опреснительной установки с помощью патрубка 18 присоединена к вакуум-насосу (не показано).

Устройство работает следующим образом.

Соленая вода поступает в установку через патрубок 9 и распределяется по панелям 5 и 2, перетекая через трубки 8.

Солнечная радиация, пройдя через прозрачные верхнюю 1 и промежуточные панели 5, поглощается нижней панелью 2 и нагревает ее. Нижняя панель 2 отдает тепло налитому на ее поверхности слою воды 19, что приводит к ее нагреву и испарению.

Пары воды конденсируются на нижней поверхности вышележащей промежуточной панели 5 и отдают ей тепло, выделяющееся при конденсации воды. Кроме того, эта панель нагревается инфракрасным излучением от нижней панели 2 и теплопроводностью через паровую прослойку между панелями.

Через эту промежуточную панель 5 тепло посредством теплопроводности, увеличенной с помощью армирующих стекло теплопроводных элементов 6, отдается налитому на ее поверхности слою соленой воды 19, что приводит к ее нагреву и испарению, а отвод тепла от нижней поверхности панели 5 улучшает условия конденсации паров воды.

Сконденсировавшаяся на нижней поверхности промежуточной наклонной панели 5 опресненная вода стекает в сборник 10 конденсата, откуда поступает через объединяющую сборники 10 магистраль посредством насоса в накопительную емкость (не показаны на чертеже) и далее отводится к потребителю.

Рассмотренный процесс многократно повторяется на последующих промежуточных 5 и верхних 1 панелях.

В отличие от промежуточных 5, верхняя панель 1 армирующих элементов не имеет, чтобы уменьшить потери тепла от опреснительной установки в окружающую среду.

Постановка промежуточных панелей, армированных теплопроводными элементами, резко увеличивает поверхность испарения соленой воды и обеспечивает регенерацию тепла, выделяющегося при конденсации водяных паров, что в совокупности позволяет повысить эффективность и производительность опреснительной установки.

Расход соленой воды, подаваемой сверху в опреснительную установку через разветвленный патрубок 9, регулируется таким образом, чтобы он на 20-25% превышал суммарный расход испаряемой в ней воды. Большая часть расхода воды, поданной на первую сверху промежуточную панель 5, через дренирующие трубки 8, перетекает на нижележащую промежуточную панель. Перетекание воды через дренирующие трубки 8 повторяется на последующих нижележащих промежуточных панелях 5.

Так как число дренирующих трубок 8 может быть выбрано сравнительно небольшим (одна-две трубки на квадратном метре площади панели), а истечение воды из боковых отверстий 12 в этих трубках происходит под очень малым напором, то эти отверстия имеют вполне приемлемый диаметр 1,5-2 мм, и следовательно, устраняется опасность их засорения.

Высота отбортовок H несколько (например, на 20-25 мм) превосходит минимальную высоту h, на которую дренирующие трубки выступают над поверхностью панели. Высота h выбрана таким образом, чтобы, когда панель заполнена соляной водой до верхнего обреза дренирующих трубок 8, то при этом обеспечивалось полное покрытие водой (с запасом, например, в 5-10 мм) всей поверхности панели.

Горизонтальные струйки воды, вытекающие из боковых отверстий 12 в концах разветвленного входного патрубка 9 из дренирующих трубок 8, усиливают конвективное перемешивание в слоях воды 19, налитой на поверхность промежуточных и нижней панелей, и снижают их термическое сопротивление, улучшая условия испарения воды, т.е. способствуют повышению эффективности работы опреснительной установки.

Избыточный, по сравнению с выходом испаренной воды, расход соленой воды, поступающей на нижнюю панель 2, через дренирующие трубки 8 подается в коллектор 13 и далее через сливную трубу 14 с помощью насоса 17 выводится из опреснительной установки.

Наличие постоянного потока соленой воды через установку фиксируется по показаниям электромагнитного расходомера, регулируется подачей воды через патрубок 9 с помощью, например электроуправляемого вентиля (не показан).

Выбор для измерения расхода рассола, представляющего собой электролит, именно электромагнитного расходомера определяется тем обстоятельством, что такой расходомер позволяет легко осуществить дистанционное измерение расхода, что существенно при создании опреснительной установки большой суммарной производительности, состоящей из отдельных модулей.

Применение панелей 5 с отбортовкой 7, снабженных дренирующими трубками 8, в сочетании с регулированием расхода подаваемой в опреснительную установку соленой воды по показаниям электромагнитного расходомера исключает возможность засоления поверхности этих панелей (за счет автоматического поддержания оптимального уровня налитой на них воды и слива рассола), и таким образом, повышает надежность работы опреснительной установки.

Через патрубок 18 внутренняя полость опреснительной установки вакуумируется, что обеспечивает возрастание скорости испарения воды и конденсации ее паров и повышение эффективности работы установки. При этом наличие зазора между кожухом 4 и отбортовками 7 панелей 5 исключает возможность возникновения градиента давления по высоте установки и создает условия для нормального перетока воды через дренирующие трубки 8 панелей 5.

Когда интенсивность солнечной радиации падает ниже некоторого уровня, включаются нагревательные элементы 11, расположенные под нижней панелью 2, и процесс нагрева и испарения соленой воды продолжается непрерывно, но уже при использовании с этой целью не только солнечной энергии, а главным образом, выделяемого этими элементами тепла.

Когда интенсивность солнечной радиации превысит указанный уровень, то нагревательные элементы отключаются. Таким образом реализуется непрерывное функционирование опреснительной установки в условиях сильного снижения интенсивности солнечной радиации (облачность, вечернее и ночное время суток).

Предлагаемая конструкция опреснительной установки, в которой подвод солнечной энергии осуществляется сверху, позволяет свести к минимуму непроизводительные потери тепла и создать надежную, эффективную установку большой суммарной производительности путем интегрирования в общую систему отдельных модулей.

Использование: в гелиотехнике в солнечных опреснительных установках непрерывного действия. Сущность изобретения: установка содержит теплоизолирующий кожух с нижней зачерненной панелью и рядом наклонных промежуточных панелей 5 со сборниками конденсата. Панели выполнены с отбортовками в виде противеней и снабжены установленными между смежными панелями дренирующими трубками, причем их верхние обрезы расположены в горизонтальных плоскостях, лежащих выше поверхности панелей и ниже края их отбортовок, а нижние концы лежат ниже указанных плоскостей нижележащих панелей. Патрубок подачи соленой воды, подведенный к поверхности верхней промежуточной панели, и нижние концы трубок выполнены с боковыми выходными отверстиями. Трубки панели подключены к коллектору для отвода избытка рассола. Верхняя панель и промежуточные панели выполнены прозрачными для солнечной радиации, при этом последние выполнены из теплопроводного стекла или из стекла, армированного элементами. Конструкция установки обеспечивает оптимальный уровень заполнения панелей установки соленой водой и слив избытка рассола, исключая засоление панелей и максимальное использование энергии солнечной радиации, что позволяет повысить эффективность и надежность работы установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Солнечная опреснительная установка, содержащая теплоизолирующий кожух с прозрачной верхней и зачерненной нижней панелями, над последней установлен ряд последовательных наклонных промежуточных панелей со сборниками конденсата по периферии панелей, подведенные к кожуху патрубки подачи соленой воды и отвода опресненной воды и коллектор для отвода избыточного рассола, отличающаяся тем, что нижняя и промежуточные панели выполнены с отбортовкой в виде противней с зазором между отбортовкой промежуточных панелей и кожухом установки и снабжены установленными между смежными панелями дренирующими трубками, верхний обрез которых расположен в горизонтальных плоскостях, лежащих выше поверхности соответствующей панели и ниже края отбортовки этих панелей, причем патрубок подачи соленой воды подведен к поверхности верхней промежуточной панели, а дренирующие трубки нижней панели подключены к коллектору. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что промежуточные панели выполнены прозрачными для солнечной радиации из теплопроводного стекла или из стекла, армированного высокотеплопроводными элементами, например медными. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что нижние концы патрубка подачи соленой воды и дренирующих трубок промежуточных панелей выполнены с боковыми выходными отверстиями, размещенными ниже плоскостей, в которых лежит верхний обрез дренирующих трубок нижележащих панелей.