УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕСНЕНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД Российский патент 2004 года по МПК C02F1/22 

Изобретение относится к агропромышленному комплексу, в частности к технологиям и техническим средствам для опреснения минерализованных вод вымораживанием с использованием естественных климатических факторов и предназначенных для орошаемого земледелия, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения.

Известна установка для осуществления вышеуказанного способа, включающая опреснительные льдоплощадки, насосную станцию с подводящим напорным трубопроводом, дождеватель для разбрызгивания, насыпной дренирующий слой, дренажный трубопровод с задвижкой, пруд-испаритель остаточных от опреснения рассолов, пруд-накопитель минерализованных вод с донным водовыпуском и приямком в зоне водозабора, пруд-аккумулятор опресненных вод (SU, авторское свидетельство №1786005, А1, С 02 F 1/22. Алимов А.Г., Варламов Н.Е., Брызгалин А.Д., Мариненко В.Е., Конторович И.И., Бальбеков Р.А. Установка для опреснения минерализованных вод. Заявлено 09.11.1989; опубл. 07.01.1993, бюл. №1).

К недостаткам описанной установки для опреснения минерализованных вод относятся значительные затраты материальных и энергетических ресурсов. Это связано с тем, что для непрерывного разбрызгивания намораживаемой минерализованной воды требуется дорогостоящая установка, сложная в эксплуатации. При этом необходимо строго обеспечивать определенный диаметр капель разбрызгиваемой воды, величина которых зависит от многих факторов, в т.ч. от высоты и интенсивности выпадения капель, разности между температурой воздуха и температурой замерзания минерализованной воды, скорости ветра и др. условий. Особым сдерживающим условием применения этой установки путем зимнего дождевания является то, что температура воздуха зимой не должна превышать в среднем за сутки минус 5°С.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту относится установка для опреснения минерализованных вод, включающая железобетонную площадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, над которой на высоте 15-35 см установлена горизонтальная железобетонная решетка, а вокруг площадки выполнен железобетонный бортик высотой 120 см, для усиления тока воздуха под решеткой вдоль большой оси площадки установлена вентиляция, которую можно регулировать, открывая специальные вентиляционные камеры, что позволяет частично изменять температуру опресняемого льда. Намораживание льда производят только сверху железобетонной решетки. Для сбора стока воды с площадки при таянии льда предусмотрен приемный колодец (М.Ф.Митин, Я.М.Пашенков. Опреснение воды для сельскохозяйственного водоснабжения. Вестник сельскохозяйственной науки. - 1964, №12, с.94-100).

Основными недостатками данной технологии и установки для опреснения минерализованных вод являются неравномерное распределение температуры в толще ледяного бунта при его оттаивании. Наиболее высокая температура устанавливается на поверхности бунта, а наиболее низкая - в середине. Ядро бунта долгое время сохраняет сравнительно низкую температуру, препятствуя, таким образом, миграции рассола. Это снижает выход пресной воды.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, -повышение выхода опресненной воды из намораживаемого и размораживаемого ледяного массива.

Технический результат - увеличение производительности установки путем намораживания льда и повышения равномерности распределения температур внутри ледяного блока в процессе его намораживания и размораживания при опреснении минерализованных вод.

Технический результат в части установки для опреснения минерализованных вод достигается тем, что в известной установке, содержащей (в комплексе конструктивных элементов) железобетонную опреснительную льдоплощадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, железобетонную решетку над площадкой, железобетонный бортик по периметру площадки, приемный колодец, вентиляционные камеры под решеткой, пруд-накопитель минерализованных вод с подводящим каналом и донным водовыпуском, пруд-аккумулятор опресненных вод, пруд-испаритель, систему вертикальных полостей с запорными устройствами в нижней их части для проникновения воздуха с отрицательной и положительной температурами, дополнительный трубопровод с колодцами и задвижками для отвода рассола в пруд-испаритель и опресненной воды в пруд-аккумулятор, контрольно-измерительный комплекс для слежения уровня минерализации воды на выходе из приемного колодца, оградительные валы, согласно изобретению, расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями установки и размеры их поперечного квадратного сечения устанавливают из соотношений:

l≤α,

,

где l - расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями, м;

α - размер стороны поперечного квадратного сечения одного из воздухопроводящих полостей, м;

m₀ - минерализация опресняемой воды, кг/м³;

Σt - сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период намораживания бунта льда, °С;

k - коэффициент пропорциональности, м³/кг;

k₀ - коэффициент соответствия размерности, м/°С.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена технологическая схема установки опреснения минерализованных вод методом естественного вымораживания, вид в плане; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.

Установка для опреснения минерализованных вод (см. фиг.1-3) содержит пруд-накопитель 1, куда по каналу 2 (или трубопроводу) поступают минерализованные воды, водовыпуск 3 с колодцем 4 и задвижкой 5 в концевой его части, сооружение для намораживания и опреснения льда 6, пруд-аккумулятор 7 опресненных вод, пруд-испаритель 8 остаточных от опреснения рассолов, трубопровод 9 с колодцами 10 с регулирующими задвижками 11 и контрольно-измерительным комплексом 12 для слежения за степенью минерализации воды на выходе из сооружения 6, оградительные валы 13.

Комплекс сооружений технологической линии опреснения минерализованных вод методом вымораживания наиболее выгодно располагать в условиях развитой овражно-балочной сети с соблюдением следующих требований.

Пруд-накопитель 1 минерализованных, например дренажных, вод располагают в верхней части балки путем устройства земляной плотины с донным водовыпуском 3.

Сооружение для намораживания и опреснения льда 6 располагают ниже пруда-накопителя 1, размеры и объем которого должны быть достаточными для принятия годового объема стока минерализованных дренажных вод, заакумулированных в пруде-накопителе 1. В конструктивном отношении сооружение для намораживания и опреснения льда 6 представлено в виде железобетонного резервуара 14, включающего железобетонную площадку 15 с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, лоток 16 и приемный колодец 17 для сбора рассола и опресненной воды. Над железобетонной площадкой 15 на опорах 18 смонтирована железобетонная решетка 19, на которой в шахматном или в ином порядке установлены железобетонные или металлические вертикальные воздухопроводящие полости 20 с герметичными запорными устройствами (на схеме не показаны) в их нижней части, предназначенные совместно с вентиляционными камерами 21, расположенными вдоль продольной оси площадки 15, для проветривания ледяного массива в процессе его формирования и последующего опреснения.

Расстояние l (см.фиг.1) между вертикальными воздухопроводящими полостями 20 и размеры их поперечного квадратного сечения α (см.фиг.2) принимают, исходя из следующих соотношений:

l≤α; (1)

где l - расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями, м;

α - размер стороны поперечного квадратного сечения одного из воздухопроводящих полостей, м;

m₀ - минерализация опресняемой воды, кг/м³;

Σt - сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период намораживания бунта льда, °С;

k - коэффициент пропорциональности, м³/кг;

k₀ - коэффициент соответствия размерности, м/°С.

ПРИМЕР 1. Минерализация опресняемой воды (m₀) составляет 5 кг/м³ (5 г/л). Сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период (Σt) равна 600°С. Размер стороны поперечного квадратного сечения воздухопроводящих полостей установки для опреснения минерализованных вод для данного случая составит:

Расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями принимаем: l=α=1,01 м=1010 мм.

ПРИМЕР 2. Минерализация опресняемой воды (m₀) составляет 10 кг/м³. Сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период (Σt) равна 750°С. Размер стороны поперечного квадратного сечения воздухопроводящих полостей установки для опреснения минерализованных вод составит:

Расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями принимаем: l=α=1,10 м=1100 мм.

ПРИМЕР 3. Минерализация опресняемой воды (m₀) составляет 20 кг/м³. Сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период (Σt) равна 950°С. Размер стороны поперечного квадратного сечения воздухопроводящих полостей установки для опреснения минерализованных вод составит:

Расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями принимаем: l=α=1,15 м=1150 мм.

Пруд-аккумулятор 7 опресненных вод располагают в средней части балки, ложбины или в других складках реальной местности путем устройства земляной плотины. Пруд-аккумулятор 7 имеет достаточный, с большим запасом объем для принятия всего количества опресненных вод, паводкового и ливневого стоков с прилегающего водосбора.

Пруд-испаритель 8 предназначен для приема и естественного выпаривания в теплый период года остаточного рассола до рапы или плотного остатка. Этот остаток в последующем изымают и утилизируют. Пруд-испаритель 8 представляет собой тщательно спланированную территорию, обвалованную или перекрытую земляной плотиной в нижней части балки (или местности с направленным уклоном) и максимально вписанную в рельеф. Площадь пруда-испарителя 8 определяют, исходя из объема остаточного рассола и слоя естественного годового испарения воды в данной местности.

Для транспортирования остаточного от опреснения рассола в пруд-испаритель 8 и опресненной воды в пруд-аккумулятор 7 предусмотрен трубопровод 9 с колодцами 10 и регулирующими задвижками 11, расположенными ниже глубины промерзания грунта в данной местности. Для слежения за минерализацией воды на выходе из приемного колодца 17 предусмотрен контрольно-измерительный комплекс 12, связанный с исполнительными механизмами регулирующих задвижек 11 (линии связи и сами исполнительные механизмы на чертеже не показаны).

Оградительные валы 13 устроены для исключения возможности попадания паводковых и ливневых вод в зону сооружения для намораживания и опреснения льда 6 и в пруд-испаритель 8 и предотвращения разбавления испаряемого остаточного рассола и переполнения пруда-испарителя 8.

Установка работает следующим образом.

В течение всего периода работы дренажа (200-250 суток в году) минерализованный дренажный сток аккумулируют в пруде-накопителе 1.

При наступлении отрицательных температур минерализованный сток из пруда-накопителя 1 с помощью водовыпуска 3 подают в сооружение для намораживания и опреснения льда 6, герметично закрывают запорные устройства (не показаны) в нижней части вертикальных воздухопроводящих полостей 20, заполняют пространство под железобетонной решеткой 19 минерализованной водой и тонкими слоями 5-15 мм сверху решетки 19 намораживают лед толщиной 200-250 мм, после чего из-под решетки 19 через приемный колодец 17 и трубопровод 9 сбрасывают минерализованную воду в пруд-испаритель 8 и открывают запорные устройства (на схеме не показаны) в нижней части вертикальных воздухопроводящих полостей 20. На ледяную площадку (200-250 мм), прочно сформированную на железобетонной решетке 19, из пруда-накопителя 1 через водовыпуск 3 подают минерализованную воду слоем 2500-6000 мм и по всей водной толще осуществляют намораживание льда. Интенсивное объемное проникновение холодного (морозного) воздуха в массив намораживаемой минерализованной воды, предварительно зааккумулированной в сооружении 6 для намораживания и опреснения воды, осуществляют через активную комплексную систему вентиляции, а именно через вертикальные воздухопроводящие полости 20, вентиляционные камеры 21 и под железобетонной решеткой 19, на которой намораживается ледяной бунт. При формировании ледяного массива в сооружении 6 и регулировании его температуры с помощью комплексной системы активной вентиляции, между каждой группой из четырех последовательно расположенных соседних вертикальных воздухопроводящих полостей 20 искусственно создают на всю толщу ледяного бунта зоны (в виде цилиндров диаметром 20-100 мм) не замерзшей высокоминерализованной воды, после сброса которой в пруд-испаритель 8 в ледяном бунте образуются дренажные полости, значительно ускоряющие процесс отвода внутреннего рассола из массива льда при отрицательных температурах. По завершению формирования ледяного бунта при таянии из массы льда сначала вытекает рассол, плотность которого больше плотности исходной минерализованной воды, а затем опресненная вода. В процессе опреснения льда осуществляют проветривание ледяного бунта через систему вертикальных воздухопроводящих полостей 20, вентиляционных камер 21 и под железобетонной решеткой 19, расположенной под массивом намороженного льда, и этим достигают равномерное распределение температур в толще ледяного бунта, что ускоряет процесс отвода остаточного рассола из льда при его оттаивании. Все это в целом повышает выход опресненной воды. Для сохранения на более длительное время температуры ледяного массива на уровне 0... минус 5°С, обеспечивающей оптимальные условия для стока внутреннего рассола, массив льда закрывают слоем "сухого" снега (5-30 см), который наносят естественным путем (при выпадении снега после окончания формирования ледяного массива) или методом искусственного напыления. При необходимости осуществляют укрытие льда в весенний период теплоизоляционным материалом. Вытекающий из массива льда рассол собирают и отводят по лотку 16 через приемный колодец 17 и трубопровод 9 в пруд-испаритель 8. Остаточный рассол, зааккумулированный в пруде-испарителе 8, испаряется до насыщенного рассола (рапы) или плотного остатка, которые используют для специальных целей. При отсутствии регулярного потребителя соль или рапу накапливают в течение 45-50 лет (срок службы комплекса) с последующим захоронением или переработкой по специальной технологии. Объем W пруда-испарителя 8 в этом случае должен соответствовать условию W>W_o, где W_o - суммарный остаточный объем рапы или солей от испарения рассолов, накапливающийся за 45-50 лет работы опреснительного комплекса. Опресненную талую воду допустимой минерализации отводят аналогичным образом в пруд-аккумулятор 7 опресненных вод. Изменение направления водоотведения осуществляют в ручном или автоматическом режиме с использованием регулирующих задвижек 11, расположенных на трубопроводе 9 с учетом данных контрольно-измерительного комплекса 12 по слежению за уровнем минерализации воды на выходе из приемного колодца 17 сооружения 6 для намораживания и опреснения льда.

После опорожнения пруда-накопителя 1 от дренажных минерализованных вод в результате их зимнего намораживания в пруд-накопитель 1 аккумулируют паводковый весенний сток, который затем сбрасывают через водовыпуск 3 в пруд-аккумулятор 7 опресненных вод для разбавления их до допустимой минерализации.

До сброса паводкового стока в пруд-аккумулятор 7 минерализованные воды в пруд-накопитель 1 не поступают (временно аккумулируют в дополнительном бассейне (на чертежах не показан).

При недостаточном объеме паводкового стока разбавление опресненных вод до допустимой минерализации осуществляют путем дополнительной подачи необходимого количества оросительной воды по специальному каналу (на схеме не показан) в пруд-аккумулятор 7.

Опресненный дренажный сток и паводковый весенний сток, заакумулированные в пруде-аккумуляторе 7, используют в летне-осенний период для орошения сельскохозяйственных культур, садов, лесных насаждений, сельскохозяйственного водоснабжения и др. Забор воды для этих целей осуществляют из пруда-аккумулятора 7 с помощью компактных насосных станций (НС), работающих от ветроэнергетических установок ВЭУ (НС и ВЭУ - не показаны).

Таким образом, интенсивное объемное проникновение воздуха с отрицательной температурой в массив намораживаемых минерализованных вод и последующее проветривание сформированного ледяного бунта через систему вертикальных воздухопроводящих полостей, вентиляционных камер и под железобетонной решеткой обеспечивают увеличение производительности намораживания льда, повышение равномерности распределения температур внутри ледяного блока в процессе его намораживания и размораживания и, как следствие, - повышение выхода опресненной воды из ледяного блока. Аналитически определенные параметры воздухопроводящих полостей обеспечивают интенсивное таяние на льдоплощадке.

Изобретение предусмотрено для использования в агропромышленном комплексе, в частности в технических средствах для опреснения минерализованных вод вымораживанием с использованием естественных климатических факторов и предназначенных для орошаемого земледелия, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Установка для опреснения минерализованных вод включает опреснительную льдоплощадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, железобетонную решетку над площадкой, железобетонный бортик по периметру площадки и приемный колодец, вентиляционные камеры под железобетонной решеткой, пруд-накопитель минерализованных вод с подводящим каналом и донным водовыпуском, пруд-аккумулятор опресненных вод, пруд-испаритель и трубопровод с задвижкой, систему вертикальных полостей с запорными устройствами в нижней их части для проникновения холодного с отрицательной температурой и теплого воздуха, дополнительный трубопровод с колодцами и задвижками для отвода рассола в пруд-испаритель и опресненной воды в пруд-аккумулятор, контрольно-измерительный комплекс для слежения уровня минерализации воды на выходе из приемного колодца, оградительные валы. Высота железобетонного бортика вокруг льдоплощадки равна высоте намораживаемого ледяного бунта в пределах 2500-6000 мм. Железобетонная решетка на льдоплощадке расположена на высоте 200-600 мм. Расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями и размеры их поперечного квадратного сечения устанавливают из следующих соотношений: l≤α,

,

где l - расстояние между воздухопроводящими полостями, м; α - размер поперечного сечения воздухопроводящих полостей, м; m₀ - минерализация опресняемой воды, кг/м³; Σt - сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период намораживания бунта льда, °С; k - коэффициент пропорциональности, м³/кг; k₀ - коэффициент соответствия размерности, м/°С. Изобретение позволяет увеличить производительность установки путем намораживания льда и повышения равномерности распределения температур внутри ледяного блока в процессе его намораживания и размораживания при опреснении минерализованных вод. 3 ил.

Установка для опреснения минерализованных вод, включающая железобетонную опреснительную льдоплощадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, железобетонную решетку над площадкой, железобетонный бортик по периметру площадки, лоток и приемный колодец, вентиляционные камеры под решеткой, пруд-накопитель минерализованных вод с подводящим каналом и донным водовыпуском, пруд-аккумулятор опресненных вод, пруд-испаритель, систему вертикальных полостей с запорными устройствами в нижней их части для проникновения воздуха с отрицательной и положительной температурами, дополнительный трубопровод с колодцами и задвижками для отвода рассола в пруд-испаритель и опресненной воды в пруд-аккумулятор, контрольно-измерительный комплекс для слежения уровня минерализации воды на выходе из приемного колодца и оградительные валы, отличающаяся тем, что расстояние между вертикальными воздухопроводящими полостями и размеры их поперечного квадратного сечения устанавливают из следующих соотношений:

l≤α;

где l - расстояние между воздухопроводящими полостями, м;

α - размер поперечного сечения воздухопроводящих полостей, м;

m₀ - минерализация опресняемой воды, кг/м³;

Σt - сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период намораживания бунта льда, °С;

k - коэффициент пропорциональности, м³/кг;

k₀ - коэффициент соответствия размерности, м/°С.