СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК E03B3/30 

Изобретение относится к способам получения пресной воды из снега или льда.

Известен способ получения пресной воды из льда, предусматривающий отделение льда от общего массива и нагрев его до перехода в жидкую фазу [1].

Недостатком способа являются его низкая производительность и большие расходы трудовых и энергетических затрат.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание способа получения пресной воды из больших массивов льда, например айсбергов, с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.

Поставленная задача решается тем, что при получении пресной воды из массива льда, предусматривающем нагрев и плавление льда до превращения его в воду, в массиве льда ниже уровня моря путем бурения хотя бы одной скважины и установки в ней насоса и нагреватели образуют полость, а талую воду из этой полости подают на поверхность, при этом давление в полости поддерживают на уровне, обеспечивающем текучесть льда под действием перепада гидростатического давления в окружающей массив льда воде на уровне образованной полости и давления в самой полости.

Для поддержания оптимального режима плавления льда нагреватель включают на мощность, при которой количество тепла, отдаваемого нагревателем талой воде, обеспечивает темп таяния льда, при котором плавится весь подтекающей к полости лед, при этом мощность нагревателя может быть установлена из соотношения Q = χ M, где χ - удельная теплота фазового перехода лед-вода, M - заданный темп подачи воды на поверхность (дебит скважины).

Способ основан на свойстве текучести льда под нагрузкой [2].

На фиг. 1 показана схема обустройства айсберга для получения пресной воды, а на фиг. 2 - забой скважины, оборудованной насосом и нагревателем.

Во льду 1 айсберга бурят одну или несколько скважин 2 с произвольным наклоном ствола и произвольным положением устья относительно уровня воды. Положение забоя относительно этого уровня определяется расчетным путем, но по возможности ближе к центру массива льда.

Скважины оборудуют нагревателем 3 заданной мощности Q и погружным насосом 4, способным поддерживать давление на приеме близким к 1 ат.

Устье скважины 2 подсоединяют к шлангу 5 для перекачки воды на танкер 6, а насосы и нагреватели подсоединяют к источнику питания.

Включают нагреватель и проплавляют во льду полость 7 заданного радиуса R (определяется расчетом), затем включают насос и начинают отбор воды. Насос желательно установить так, чтобы в его водозаборный патрубок 8 поступала наиболее холодная часть жидкости, а для того чтобы вода не замерзала в стволе скважины и шланге, их можно оборудовать греющим кабелем.

Поскольку лед обладает близким к нулю пределом текучести, то под действием перепада гидростатического давления на уровне забоя и давления жидкости в полости лед начинает течь к центру полости. Скорость течения льда на границе полости V_i определяется из соотношения [3]:
V_i = (P_g-P_w)R/4η, (1)
где P_g= ρ_w gH -гидростатическое давление на уровне забоя;
H - положение забоя относительно уровня воды;
ρ_w - плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
P_w -давление жидкости в полости (≈ 1 ат.);
η - вязкость льда.

При заданной (проектной) мощности нагревателя Q существует такое стационарное значение радиуса полости R, при котором весь подтекающий лед успевает расплавиться. Образующаяся жидкая фаза непрерывно откачивается насосом.

Зададимся требуемым дебитом скважины М(кг/с), тогда необходимый радиус полости определяется из условия непрерывности потока жидкости
M = 4πR²ρ_iV_i (2)
или с учетом (1)
M = πρ_i(P_g-P_w)R³/η. (3)
Откуда получаем
R = [Mη/πρ_i(P_g-P_w)] ^1/3, (4)
где ρ_i - плотность льда.

Проектная мощность нагревателя определяется из условия теплового баланса:
Q = χM, (5)
где χ - удельная теплота фазового перехода лед-вода.

Для выхода скважины на проектный режим необходимо определенное время τ, когда полость достигнет необходимого радиуса R. Это время может быть определено из условия теплового баланса по формуле
τ = 4πR³χρ_i/3Q. (6)
Рассмотрим конкретный пример вычисления, относящийся к одной скважине. Обобщение на случай произвольного их числа не составляет труда.

Пусть требуемый дебит скважины М = 25 т/сут = 0,29 кг/с.

Забой скважины расположен на глубине H = 300 м.

Значение констант принимаем следующими [3]:
ρ_w = 1000 кг/м³;
ρ_i = 918 кг/м³;
g = 9,8 м/с²; χ = 3,34 10⁵ Дж/кг; η = 10¹² кг/м с.

Проектную мощность нагревателя определяем по формуле (5).

Q = χM = 3,34•10⁵•0,29 = 10⁵Дж/c = 100кBт.
Требуемый радиус полости определяем по формуле (4).

Время выхода на проектный режим определяется по формуле (6).

Отметим также, что скорость течения льда V_i по достижении заданного радиуса определяется из соотношения (1) и равна

Источники информации:
1. Заявка Франции N 2384071, МКИ 6 E 03 B 3/00.

2. И. Ф. Войтковский. Механические свойства льда. М., АН СССР, 1960, с. 13.

3. Я. Б. Горелик, В.С.Колунин. Об условиях существования жидкой фазы во льду. Депонировано в ВИНИТИ за N 1828-В98 в 1998 г., Институт криосферы Земли СО РАН.

Изобретение относится к способам получения пресной воды из льда. Предложено для получения воды из массивов льда, погруженных в воду, например айсбергов, бурить в них скважины и устанавливать в сважинах насос и нагреватель. Для обеспечения оптимального получения воды предлагается в образующейся в зоне работы нагревателя полости при отборе воды поддерживать давление, обеспечивающее текучесть льда под действием перепада давлений в полости и окружающей водной среде, а количество тепла, отдаваемого нагревателем, должно обеспечивать темп таяния льда, при котором плавится весь лед, подтекающий к полости под действием этого перепада давлений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения пресной воды из массива льда, погруженного в воду, предусматривающий нагрев льда до превращения его в воду, отличающийся тем, что в массиве льда ниже уровня моря путем бурения хотя бы одной скважины и установки в ней насоса и нагревателя образуют полость, а талую воду из этой полости подают на поверхность, при этом давление в полости поддерживают на уровне, обеспечивающем текучесть льда под действием перепада гидростатического давления в окружающей массив льда воде на уровне образованной полости и давления в самой полости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для поддержания оптимального режима плавления льда нагреватель включают на мощность, при которой количество тепла, отдаваемого нагревателем талой воде, обеспечивает темп таяния льда, при котором плавится весь подтекающий к полости лед, при этом мощность нагревателя может быть установлена из соотношения Q = χ•M, где χ - удельная теплота фазового перехода лед-вода, а M - заданный темп подачи воды на поверхность (дебит скважины).