СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/22 C02F103/08 F25C1/02 F25C3/04 

Изобретение относится к способам и технике опреснения воды естественным вымораживанием и может найти применение для обработки минерализованных природных и антропогенных вод, включая сточные воды промышленности и сельского хозяйства.

Известен способ опреснения морской и соленой воды, включающий разбрызгивание намораживаемой воды, формирование гранул льда, образование ледяного блока и получение пресной воды размораживанием блока, в котором с целью уменьшения продолжительности процесса разбрызгивание намораживаемой воды осуществляется непрерывно, а гранулы льда формируют с содержанием внутри них намораживаемой воды, причем диаметр капель выбирают исходя из следующей зависимости:


где h - высота падения капель, м; Δt - разность между температурой воздуха и температурой замерзания соленой воды, ^oC; V - скорость ветра, м/с; L - теплота плавления соленого льда, ккал/кг; i - интенсивность выпадения капель, кг/м²•ч; d - диаметр капель воды, мм (SU, авторское свидетельство N 1130531 A. МПК³ C 02 F 1/22, F 25 C 1/02. Способ опреснения морской и соленой воды // Сосновский А. В. , Ходаков В. Г. Заявлено 08.04.82, опубликовано 23.12.84).

К недостаткам данного способа следует отнести сложность процедуры его реализации, обусловленную необходимостью измерения в процессе намораживания ледяного массива (блока) диаметра капель, высоты их падения, интенсивности дождя, толщины ледяной оболочки капель, причем предлагаемая математическая зависимость, описывающая необходимые условия для выполнения способа, получена применительно к движению одиночной капли дождя в морозном воздухе (Сосновский А. В. Льдообразование в факеле искусственного дождя как метод использования водных и климатических ресурсов. - Автореферат диссертации на соискание научной степени к. г. н. - М. : ИГ АН СССР, 1984, с. 20) и недостаточно точно отражает реально происходящие явления при распаде свободных турбулентных струй. Данная зависимость не учитывает образование в процессе дождевания спектра капель различного диаметра, который является переменным по длине дождевого факела; переменную высоту падения капель дождя, отделяющихся от струи в процессе распада на различных участках траектории ее полета; переменную интенсивность выпадения капель дождя по длине дождевого факела; влияние ветра на перечисленные выше параметры дождя. В связи с чем возникает неопределенность в выборе значений диаметра капель, высоты их падения и интенсивности дождя, характеризующие весь дождевой факел в целом и, следовательно, не гарантируется требуемая эффективность процесса опреснения. В составе операций способа не предусмотрен контроль за температурой намораживаемого льда. Требование способа поддерживать ее выше -5^oC является определяющим для реализации процесса опреснения, т. к. в этом случае более 95% солей находятся в растворе (Савельев Б. А. Строение, состав и свойства ледяного покрова морских и пресных водоемов. - М. : Издательство МГУ, 1963, с. 542) и будут фильтроваться за пределы массива льда.

Известен также агрегат дождевальный намораживающий АДН-80, предназначенный для ускоренного наращивания толщины ледяного покрова водоемов на плотбищах, для строительства ледяных переправ, плотин, зимних аэродромов и включающий плавучее основание - металлический герметичный корпус, установленный на четыре колеса, двигатель А-01МБ внутреннего сгорания, водяной насос, систему всасывания, напорную линию с механизмами поворота и наклона ствола дождевального аппарата, дождевальный аппарат, подъемное устройство всасывающего трубопровода, движитель для перемещения агрегата (Агрегат дождевальный намораживающий АДН-80. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Волгоград: Волгоградский экспериментальный завод оросительной техники, 1987, с. 52. Свидетельство N 27449 на промышленный образец "Агрегат дождевальный намораживающий". - М. : Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий, 1988).

Агрегат АДН-80 не предназначен для опреснения минерализованной воды, не имеет механизма регулирования диаметра насадки дождевального аппарата и не содержит систему контроля за температурой намораживаемого льда.

Эти способ и агрегат приняты нами в качестве ближайших аналогов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача в части способа, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - опреснение минерализованной воды естественным вымораживанием с более простыми, по сравнению с известным способом, условиями для реализации за счет сокращения числа контролируемых параметров (диаметр капель, высоты их полета, интенсивности дождя и др. ), подверженных существенной изменчивости по длине дождевого факела, и введения нового интегрального показателя эффективности процесса опреснения - температуры верхнего слоя намораживаемого массива льда в увязке с исходной минерализацией опресняемой воды; использования установленной закономерности необходимого изменения степени распада струи на капли H/d, где H - напор воды, d - диаметр насадки, в зависимости от температуры воздуха t; введения последовательности выполнения операций по выбору H/d, угловой скорости вращения ствола дождевального аппарата ω, угла наклона ствола дождевального аппарата α,, обеспечивающую поэтапную оптимизацию процесса намораживания и опреснения воды в зависимости от температуры воздуха, температуры и высоты массива льда.

Задача в части устройства, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание устройства для осуществления предлагаемого способа опреснения минерализованной воды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - упрощение процесса, повышение производительности и эффективности способа опреснения воды естественным вымораживанием с использованием факельного льдообразования.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что согласно известному способу опреснения, предусматривающему непрерывное разбрызгивание намораживаемой воды под переменным углом к горизонтальной плоскости, с переменной скоростью вращения ствола дождевального аппарата и переменной степенью распада струи на капли при изменении температуры воздуха, формируют гранулы льда, образуют ледяной массив и получают пресную воду в результате его таяния, в котором согласно изобретению процесс намораживания ледяного массива осуществляют при постоянном контроле текущей температуры воздуха вне зоны влияния дождевого факела и выполняют в области параметров, ограниченных зависимостью:
H/d = 1138,4 - 12675,8 t^-1, (1)
где t - температура воздуха, ^oC; увеличение угла наклона ствола аппарата производят по мере роста высоты намораживаемого массива для сохранения постоянной высоты падения капель дождя с высшей точки траектории струи до поверхности массива; осуществляют измерение температуры верхнего намораживаемого слоя льда и ее последующее регулирование производят изменением скорости вращения ствола дождевального аппарата, а процесс намораживания ледяного массива ведут в области параметров, ограниченных зависимостью:

где t_л - температура верхнего слоя ледяного массива, ^oC; m_о - минерализация опресняемой воды, кг/м³; k - коэффициент пропорциональности, кг/(м³•град); измерение температуры верхнего слоя намораживаемого льда выполняют в нескольких точках, включая зону максимальной интенсивности дождя, с последующим ее осреднением, причем температуру льда измеряют при изменении температуры воздуха на 5^oC в диапазоне -5. . . - 20^oC и на 10^oC в диапазоне -20. . . -53^oC, а также при изменении угла наклона ствола дождевального аппарата и/или скорости его вращения.

Зависимость (1) получена путем аппроксимации экспериментальных данных по намораживанию искусственных ледяных массивов при формировании водно-ледовой смеси в факеле дождя с 50% содержанием льда.

Требование (2) выведено теоретическим путем из анализа связи между температурой и фазовым составом водно-ледовой смеси при дождевании в морозном воздухе (Сосновский А. В. Особенности процесса опреснения соленых вод при факельном намораживании льда. - Материалы гляциологических исследований. М. : ИГ АН СССР, 1987 (1988), вып. 61, с. 143 - 149).

За счет того, что способ предусматривает образование гранул льда с содержанием в них намораживаемой воды при выполнении условия (1), контроль и поддержание температуры намораживаемого слоя льда по требованию (2) путем регулирования скорости вращения ствола дождевального аппарата, сохранение постоянной высоты падения капель с высшей точки траектории полета струи до поверхности намораживаемого массива по мере его роста в результате изменения угла наклона ствола дождевального аппарата, соблюдение рекомендуемого порядка выполнения операций, достигается указанный выше технический результат.

Для осуществления данного способа опреснения минерализованной воды предлагается устройство.

Указанный выше технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для замораживания воды в морозном атмосферном воздухе, включающем насосный агрегат, разбрызгивающее устройство со стволом и насадкой, механизм угла наклона ствола, механизм поворота ствола с различной скоростью, в котором согласно изобретению устройство снабжено механизмом регулирования диаметра насадки, измерительным комплексом электрически связанным с прибором для измерения высоты массива льда и траектории полета струи, датчиками температуры льда и датчиком температуры воздуха, причем последний располагается на расстоянии не менее 0,5R от устройства вне зоны действия дождевого факела, информационно-советующей системой для обработки информации и системой обогрева водопроводящих элементов.

За счет того, что устройство снабжено взаимно связанными (через оператора и систему управления устройством) контрольно-измерительным комплексом, механизмом регулирования диаметра насадки, механизмом изменения скорости вращения ствола, механизмом угла наклона ствола, которые совместно позволяют выполнить в процессе намораживания массива условия (1), (2) и поддерживать эффективную высоту траектории струи, достигается указанный выше технический результат.

Приведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителями не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявители провели дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителями, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена принципиальная структурная схема устройства.

На фиг. 2 - схема конструкции устройства на базе дальнеструйной дождевальной установки типа ДДН.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения, заключается в следующем.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Способ опреснения воды предусматривает непрерывное разбрызгивание минерализованной воды в морозном атмосферном воздухе, формирование гранул льда с содержанием внутри них намораживаемой воды, образование ледяного массива и получение пресной воды в результате его таяния. Процесс намораживания ледяного массива выполняют в области параметров, ограниченных зависимостью:
H/d = 1138,4 - 12675,8 t^-1,
при контроле и поддержании температуры верхнего слоя (5 - 10 см) ледяного массива (t_л):

где k - коэффициент пропорциональности, равный 18,2 кг/(м³•град). Регулирование температуры намораживаемого слоя льда в массиве осуществляют изменением скорости непрерывного вращения ствола дождевального аппарата в пределах 0,01 < ω <0,033 с^-1, а при дискретном вращении - 0,01 < ω < 0,083 с^-1. Скорость вращения ствола снижают при необходимости повысить температуру массива льда и наоборот - увеличивают при необходимости понизить его температуру. Эффект регулирования температуры намораживаемого льда обеспечивают за счет изменения степени проветривания дождевого факела, что вызывает снижение или увеличение жидкой фазы в замерзающих каплях дождя. По мере намораживания массива льда угол наклона ствола аппарата увеличивают от 28 до 60^o для сохранения постоянной высоты падения капель с высшей точки траектории струи до поверхности массива. Контроль температуры верхнего слоя массива льда осуществляют в нескольких точках, например, по сетке (a x b), при обязательном контроле t_л в зоне наибольшей интенсивности дождя, располагаемой для дальнеструйных дождевальных машин на расстоянии 0,7R от аппарата, где R - дальность полета струи. Температуру льда измеряют при изменении температуры воздуха на 5^oC в диапазоне -5. . . -20^oC и на 10^oC в диапазоне -20. . . -53^oC, а также при изменении угла наклона ствола дождевального аппарата и/или скорости его вращения.

Реализацию предлагаемого способа осуществляют устройством, которое включает насосный агрегат 1, состоящий из энергетической установки 2, например, двигателя внутреннего сгорания, и насоса 3, выполняющего забор минерализованной воды в устройство и создание напора в дождевальном аппарате 4; дождевальный аппарат 4 со стволом и насадкой (не показаны), механизмы регулирования диаметра насадки 5, скорости вращения ствола 6, угла наклона ствола 7 дождевального аппарата 4, измерительный комплекс 8 электрически связанный с датчиками температуры льда 9, датчиком температуры воздуха 10, прибором для измерения высоты массива льда и траектории полета струи 11, информационно-советующей системой 12 для обработки информации; систему управления устройством 13, которую обслуживает оператор 14; систему обогрева водопроводящих элементов устройства (не показана). Устройство может создаваться в стационарном варианте или монтироваться на самоходном шасси (фиг. 2).

Устройство функционирует следующим образом.

После выбора площадки для намораживания ледяного массива - спланированного участка местности с односторонним уклоном в направлении отвода рассола и подключения устройства к источнику воды с известной минерализацией m₀, устанавливают датчик температуры воздуха 10 на расстоянии не менее 0,5R от устройства за пределами действия дождевого факела и датчики температуры намораживаемого льда 9 в зоне действия дождевого факела, равномерно и, предпочтительно, на расстояние 0,7R от устройства. С помощью датчика 10 и измерительного комплекса 8 осуществляют измерение и непрерывный контроль температуры воздуха, которая для эффективной реализации способа должна быть ниже -5^oC. Информационно-советующая система 12 по данным о температуре воздуха рассчитывает с использованием формулы (1) требуемое значение H/d и при известном напоре насоса H рекомендует оператору 14 диаметр насадки d. Оператор посредством системы управления устройством 13 и с помощью механизма регулирования диаметра насадки 5 дождевального аппарата 4 устанавливает насадку с выбранным значением диаметра; используя механизм 7, придает стволу дождевального аппарата минимальный угол наклона - 28^o, а механизмом 6 - среднюю скорость вращения ствола дождевального аппарата, равную 0,02 с^-1 при непрерывном вращении и 0,04 с^-1 при дискретном вращении ствола. Далее устройство включается в работу и осуществляет процесс зимнего дождевания в пределах заранее выбранного сектора (до 270^o).

После пуска устройства прибором 11 фиксируется максимальная высота траектории полета струи. Когда датчики 9 покроются слоем льда толщиной 5-10 см, выполняют измерение его температуры в нескольких точках с последующим осреднением информационно-советующей системой 12. Если условие (2) выполняется, скорость вращения ствола не корректируется. Если нет, с помощью механизма 6 скорость вращения ствола увеличивают при необходимости понизить температуру льда или уменьшают - при необходимости ее увеличить. Величина корректировки ω контролируется показаниями датчиков 9 и должна находиться в пределах 0,01 < ω < 0,033 с^-1 при непрерывном вращении ствола аппарата и 0,01 < ω < 0,083 с^-1 при дискретном вращении. После завершения описанных выше операций датчики температуры льда 9 извлекаются из массива, плотность которого не превышает 500 - 600 кг/м³. Из (2) следует, что при опреснении значительных объемов воды (более 1000 м³) с минерализацией до 35 кг/м³ с достаточной для практических целей эффективностью реализации предлагаемого способа, температуру намораживаемого льда следует поддерживать в пределах -2. . . -5^oC.

Процесс намораживания массива льда в выбранном режиме продолжается до тех пор, пока температура воздуха не изменится по отношению к ее значению в момент пуска установки на 5^oC в диапазоне температур -5. . . -20^oC, на 10^oC в диапазоне температур -20. . . -53^oC и/или высота массива увеличится на 10% от замеренной ранее максимальной высоты траектории полета струи.

В дальнейшем описанный выше цикл операций повторяется до завершения создания массива льда по следующей схеме: 1) измерение температуры воздуха; 2) определение требуемого для измеренной температуры воздуха диаметра насадки и ее установка на ствол дождевального аппарата; 3) размещение датчиков температуры льда 9 в зоне предполагаемого действия дождевого факела; 4) измерение высоты намороженного массива льда; 5) установка угла наклона ствола, обеспечивающего сохранение постоянной высоты падения капель дождя с высшей точки траектории полета струи до поверхности намороженного в предыдущем цикле массива льда; 6) установка средней скорости вращения ствола дождевального аппарата; 7) пуск и работа устройства; 8) измерение температуры намораживаемого льда; 9) корректировка скорости вращения ствола дождевального аппарата; 10) извлечение датчиков температуры льда; 11) контроль динамики температуры воздуха и высоты массива льда.

При выполнении предлагаемого способа в период формирования массива пористого льда его солесодержание снижается в 10 - 12 раз по сравнению с исходной минерализацией опресняемой воды. Дальнейшая деминерализация льда и получение пресной воды происходит в результате таяния массива.

Пример. Намораживание массива льда выполнялось экспериментальной дождевальной установкой, созданной на основе "Град-1" (АО "Оросительная техника", Волгоград) при температуре воздуха -5,3. . . -18,9^oC при скорости ветра 1,6. . . 2,8 м/с. За 48 часов чистого времени работы установки был создан массив искусственного пористого льда высотой 5,3 м, с размерами в плане 62,5 х 46,2 м, объемом 2113 м³ льда с плотностью 460. . . 570 кг/м³. Температура намораживаемого льда поддерживалась в пределах -2. . . -5^oC. В таблице приведены минерализация и химический состав опресняемой воды, льда на момент завершения формирования массива и его остывания (лед 1), льда массива после его частичного таяния при сумме положительных среднесуточных температур воздуха за этот период 166,6^oC (лед 2).

Всего при таянии массива было получено 1115,0 м³ воды со средней минерализацией 0,5 г/л.

Рассматриваемый способ на 1 МДж израсходованной первичной энергии позволяет получать пресной воды 57,5 кг, что больше по сравнению с дистилляцией в 7,2. . . 22,5 раз, электродиализом - в 3,3 раза, обратным осмосом - в 2,0 раза (Колодин М. В. Экономика опреснения воды. - М. : Наука, 1985, с. 128).

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
способ и средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленном, сельскохозяйственном водоснабжении, а также в орошаемом земледелии при опреснении минерализованной воды;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение может быть использовано в промышленном, сельскохозяйственном водоснабжении, а также в орошаемом земледелии при опреснении минерализованной воды. Способ предусматривает непрерывное разбрызгивание намораживаемой воды под переменным углом к горизонтальной плоскости, формирование гранул льда, образование ледяного массива и получение пресной воды в результате его таяния. Процесс намораживания осуществляют при постоянном контроле температуры воздуха и выполняют в области параметров, ограниченных установленной зависимостью между степенью распада струи на капли и текущей температурой воздуха. Увеличение угла наклона ствола дождевального аппарата производят по мере роста высоты намораживаемого массива льда. Осуществляют контроль за температурой верхнего намораживаемого слоя льда и ее последующее регулирование производят изменением скорости вращения ствола дождевального аппарата. Процесс намораживания ледяного массива ведут в области параметров, ограниченных установленной зависимостью между температурой верхнего намораживаемого слоя льда и минерализацией опресняемой воды. Устройство включает насосный агрегат, дождевальный аппарат со стволом и насадкой, механизм изменения скорости вращения ствола, механизм угла наклона ствола дождевального аппарата, систему управления. Устройство снабжено механизмом регулирования диаметра насадки, измерительным комплексом, прибором для измерения высоты массива льда и траектории полета струи, датчиками температуры льда, датчиком температуры воздуха, информационно-советующей системой (ИСС) для обработки информации и системой обогрева водопроводящих элементов. Изобретение позволяет упростить процесс опреснения за счет сокращения числа контролируемых параметров. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 табл, 2 ил.

1. Способ опреснения минерализованной воды, предусматривающий непрерывное разбрызгивание намораживаемой воды под переменным углом к горизонтальной плоскости, с переменной угловой скоростью вращения ствола дождевального аппарата и переменной степенью распада струи на капли в зависимости от температуры воздуха, формирование гранул льда, образование ледяного массива и получение пресной воды в результате его таяния, отличающийся тем, что процесс намораживания ледяного массива осуществляют при постоянном контроле текущей температуры воздуха вне зоны влияния дождевого факела и выполняют в области параметров, ограниченных зависимостью
Н/d= 1138,4-12675,8 t^-1,
где H - напор воды;
d - диаметр насадки;
t - температура воздуха, ^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что увеличение угла наклона ствола дождевального аппарата производят по мере роста высоты намораживаемого массива для сохранения постоянной высоты падения капель дождя с высшей точки траектории струи до поверхности массива. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют измерение температуры верхнего намораживаемого слоя льда и ее последующее регулирование производят изменением скорости вращения ствола дождевального аппарата, а процесс намораживания ледяного массива ведут в области параметров, ограниченных зависимостью

где t_л - температура верхнего слоя ледяного массива, ^oС;
m₀ - минерализация опресняемой воды кг/м³;
k - коэффициент пропорциональности. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что измерение температуры верхнего слоя намораживаемого льда выполняют в нескольких точках, включая зону наибольшей интенсивности дождя, с последующим ее осреднением, причем температуру льда измеряют при изменении текущей температуры воздуха на 5^oС в диапазоне -5. . . -20^oС и на 10^oС в диапазоне -20. . . -53^oС. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что измерение температуры верхнего слоя намораживаемого массива выполняют при изменении угла наклона ствола дождевального аппарата и/или скорости его вращения. 6. Устройство для опреснения минерализованной воды, включающее насосный агрегат, дождевальный аппарат со стволом и насадкой, механизм изменения скорости вращения ствола, механизм угла наклона ствола дождевального аппарата и систему управления, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом регулирования диаметра насадки, измерительным комплексом, электрически связанным с прибором для измерения высоты массива льда и траектории полета струи, датчиками температуры льда, датчиком температуры воздуха, информационно-советующей системой для обработки информации и системой обогрева водопроводящих элементов.