ОПРЕСНИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК B01D3/06 C02F1/04 

Предложен опреснитель преимущественно для дистилляционного получения пресной воды из морской воды, который, однако, может быть использован для деминерализации шахтных вод и в технологических процесса различных производств.

Известны рекуперационные опреснители, например, по патенту России № 2142912 С1, в котором для повышения производительности дистилляционного опреснителя осуществлена практически полная рекуперация тепловой энергии, идущей на нагрев и испарение поступающей в испаритель жидкости, посредством применения теплообменников и тепловых труб (аналог). Однако техническая реализация предложенного опреснителя, а также и вывод его на рабочий режим чрезвычайно сложны, что является его существенным недостатком.

Известен также опреснитель по патенту России № 2077488, состоящий из испарителя с внешним нагревателем опресняемой жидкости, по меньшей мере одним рекуперационным теплообменником возврата в испаритель тепла, получаемого испаряемой жидкостью в рабочем процессе опреснения, нагнетатель пара из испарителя в конденсатор, каналов для подвода опресняемой жидкости к испарителю, каналов слива дистиллята и рассола (прототип).

Данное техническое решение достаточно просто конструктивно, но, однако, не обеспечивает рекуперации теплоты парообразования, которая сбрасывается через конденсатор и непроизводительно теряется. Кроме того, нагрев испаряемой жидкости посредством высокотемпературных источников тепла приводит к возникновению отложений солей на нагревательных поверхностях, что существенно усложняет эксплуатацию и снижает производительность данного типа дистилляционных опреснителей.

Предложенное техническое решение дистилляционного опреснителя, обладая конструктивной и технологической простотой, обеспечивает практически полную рекуперацию энергии в рабочем процессе дистилляционного опреснения, легко (практически автоматически) выводится на рабочий режим, обладает высокой производительностью, а также в вариантах исполнения позволяет осуществлять непрерывную и продолжительную эксплуатацию без какого-либо загрязнения внутренних рабочих поверхностей испарителя и нагревателя. Указанные положительные свойства предложенного устройства обеспечиваются тем, что:

- нагреватель пара выполнен в виде эжекционного устройства, высоконапорное сопло которого включено в контур циркуляции дистиллята, снабженный устройством повышения давления на выходе эжекционного устройства, а выход камеры смешения гидравлически сообщен со входом обеспечивающего циркуляцию дистиллята в указанном контуре насоса и дополнительным теплообменником, по теплу сообщенным с испарителем, причем контур циркуляции дистиллята гидравлически связан с устройством отбора дистиллята и поддержания в контуре постоянного количества опресненной жидкости;

- устройство отбора дистиллята выполнено в виде подключенной между выходом дополнительного теплообменника испарителя и входом в циркуляционный насос вихревой камеры со свободным уровнем вращающейся жидкости, сообщенным с ограничивающим этот уровень каналом слива дистиллята;

- устройство повышения давления на выходе эжекционного устройства выполнено в виде трубопроводов, каналов дополнительного теплообменника и тангенциально установленного в вихревую камеру сопла;

- устройство слива дистиллята и повышения давления на выходе эжекционного устройства выполнено в виде установленного в канале слива дистиллята дросселирующего клапана, преимущественно подключенного к всасывающей линии насоса контура циркуляции дистиллята;

- рекуперационный теплообменник нагрева поступающей на испарение от внешнего источника жидкости выполнен совмещенным с вихревой камерой устройства отбора дистиллята;

- нагреватель испарителя выполнен в виде кавитационно-вихревого электроприводного устройства, гидравлически сообщенного с испаряемой в испарителе жидкостью посредством ее циркуляции через указанное устройство и рабочие элементы испарителя.

- испаритель выполнен в виде осесимметричной емкости с по меньшей мере одной включенной в контур циркуляции опресняемой жидкости в испарителе вихревой камерой, по теплу сообщенной с дополнительным теплообменником контура циркуляции дистиллята;

- в нижней части выполненного вертикальным испарителя выполнена сепарационная камера для сбора рассола, канал слива которого по теплу сообщен со вторым рекуперационным теплообменником подогрева поступающей в испаритель опресняемой жидкости;

- каналы подвода к испарителю опресняемой жидкости подключены ко входному каналу кавитационно-вихревого устройства;

- выходной канал кавитационно-вихревого устройства подключен тангенциально к вихревой камере испарителя, а его входной канал подключен к указанной вихревой камере в зоне повышенного давления в ней;

- испаритель снабжен по меньшей мере одним дополнительным регулируемым по мощности нагревателем.

На чертеже показан один из возможных вариантов технического решения предложенного опреснителя.

Испаритель 1 снабжен внешним нагревателем 2, в данном варианте исполнения выполненным в виде электроподогревателя 3 и циркуляционного насоса 4, который, согласно предложению, может быть выполнен и в виде кавитационно-вихревого электроприводного устройства разогрева жидкости, см., например, патент России заявка № 99119396.

Выходной канал 5 испарителя сообщен с входным каналом 6 нагнетателя пара, выполненного в виде эжекционного устройства 7, высоконапорное сопло 8 которого включено в контур циркуляции дистиллята, перекачиваемого посредством насоса 9, выход которого подключен к соплу 8. Камера смешения 10 эжекционного устройства 7 совместно с выходным трубопроводом 11, дополнительным по теплу сообщенным с испарителем 1, теплообменником 12 и выходным подпорно сопловым повышающим давление на выходе эжекционного устройства элементом 13, выполняет дополнительно функцию конденсатора пара, засасываемого из рабочей испарительной полости 14 в камеру смешения 10 через канал 6. Элемент 13 рационально выполнять или в виде регулируемого по сечению сопла, тангенциально подключенного к вихревой камере 15, или комбинированного дроссельно-соплового устройства, см. чертеж. Устройство повышения давления на выходе эжекционного устройства 7 в простейшем случае может быть выполнено в виде трубопроводов заданного гидравлического сопротивления. Камера 15 подключена к контуру циркуляции дистиллята и выполняет функции устройства отбора дистиллята за счет того, что камера 15 выполнена со свободным уровнем жидкости в ней, стабилизированным за счет его подключения к каналу слива дистиллята 16. Устройство отбора дистиллята может быть выполнено и в виде простого сосуда, поднятого над насосом 9 для обеспечения его бескавитационной работы. Рационально устройство 15 подключать между выходом дополнительного теплообменника 12 и входом в насос 9, т.е. в зоне, где завершена конденсация поступающего из испарителя 1 пара.

Контур циркуляции дистиллята может быть также выполнен замкнутым (без свободного уровня) с отбором дистиллята через переливной дросселирующий клапан 17 (вариант исполнения, когда вентиль 18 закрыт, а вентиль 19 открыт), создающий во всасывающей (входной) гидролинии насоса 9 избыточное давление, достаточное для его бескавитационной работы.

Вихревая камера 15 отбора дистиллята в данном варианте исполнения совмещена с рекуперационным теплообменником 20 нагрева жидкости, поступающей на испарение от внешнего источника жидкости, например насоса 21.

Нагреватель испарителя рационально выполнять в виде кавитационно-вихревого электроприводного устройства, гидравлически сообщенного с испаряемой в испарителе жидкостью посредством циркуляционного контура 22, обеспечивающего перемещение жидкости между рабочей испарительной полостью и другими рабочими элементами, например, форсунками 23 испарителя 1. Испаритель рационально выполнять в виде осесимметричной емкости, см. чертеж, с по меньшей мере одной включенной в контур циркуляции 22 опресняемой жидкости вихревой камерой 24, по теплу сообщенной с дополнительным теплообменником 12 контура циркуляции дистиллята.

Рационально испаритель 1 выполнять вертикальным и в нижней его части располагать сепарационную камеру 25 сбора рассола, канал слива которого по теплу сообщен через дополнительный рекуперационный теплообменник 26 с поступающей в испаритель опресняемой жидкостью. Это выполение особенно эффективно при расположении сепарационной камеры 25 под вихревой камерой 24.

Для улучшения всасывающей способности насоса или насоса-теплогенератора 4 каналы подвода к испарителю опресняемой жидкости подключены ко входному каналу кавитационно-вихревого устройства, который подключен к вихревой камере 24 в зоне повышенного давления в ней. Выходной канал кавитационно-вихревого нагревателя подключен тангенциально к вихревой камере 24 испарителя 1. Это техническое решение рационально и при использовании нагревателей жидкости различных типов. Для улучшения эксплуатационных свойств опреснителя испаритель снабжен по меньшей мере одним регулируемым по мощности электронагревателем 3 и/или 4.

Работает опреснитель следующим образом. Перед пуском контур циркуляции дистиллята заполняется пресной водой (дистиллятом), включается насос 21, заполняющий испаритель 1 опресняемой водой. При достижении в испарителе заданного уровня воды включается циркуляционный насос 4 и нагреватель или кавитационно-вихревое устройство – гидродинамический теплогенератор. После достижения в испарителе заданной температуры, например 90°С, включается циркуляционный насос 9 и начинается отсос пара в эжекционное устройство, где пар в устройстве и контуре циркуляции дистиллята конденсируется при повышенном давлении и температуре, например, в 102°С. При этом теплота парообразования, выделяющаяся в контуре циркуляции дистиллата, посредством теплообменника 12 передается циркулирующей в испарителе опресняемой жидкости, интенсифицируя процесс парогенерирования. Количество дистиллята в контуре циркуляции эжекционного устройства увеличивается, и его избыток сливается по каналам 16.

Для автоматической работы опреснителя регулируется подача свежей опресняемой жидкости от насоса 21, например, посредством дросселя 27, управляемого по уровню свободной поверхности в рабочем объеме 14 испарителя, например, посредством датчиков уровня (трубки Пито) 29 и преобразователя сигнала давления в сигнал управления дросселем 27.

Поступающая через дроссель 27 холодная соленая вода компенсирует расход дистиллята через каналы 16 и расход отводимого рассола через канал сброса рассола по каналу 30 (задается регулируемым дросселем 31, например, посредством датчика (не показан) концентрации солей в сепарационной камере 25, что обеспечивает стабилизацию свободной поверхности жидкости в испарителе 1. Теплота нагрева отводимого дистиллята и рассола возвращается в испаритель посредством рекуперационных теплообменников соответственно 20 и 26.

Описываемый опреснитель имеет высокую производительность, легко запускается в работу, не требует периодической очистки нагревателя и рабочих элементов испарителя, допуская сброс рассола повышенной концентрации, пригоден для конструкций опреснителей в широком диапазоне производительности дистиллята.

Предложен опреснитель, состоящий из испарителя с внешним нагревателем опресняемой жидкости, рекуперационными теплообменниками возврата в испаритель тепла, получаемого испаряемой жидкостью в рабочем процессе опреснения, нагревателя пара из испарителя в конденсатор, каналов для подвода опресняемой жидкости к испарителю, каналов слива дистиллята и рассола. Для повышения его эффективности и эксплуатационной надежности нагнетатель пара выполнен в виде эжекционного устройства, высоконапорное сопло которого включено в контур циркуляции дистиллята, снабженный устройством повышения давления на выходе эжекционного устройства, а выход камеры смешения гидравлически сообщен со входом обеспечивающего циркуляцию дистиллята в указанном контуре насоса и дополнительным теплообменником, по теплу сообщенным с испарителем. Контур циркуляции дистиллята гидравлически связан с устройством отбора дистиллята и поддержания в контуре постоянного количества опресненной жидкости. Для дополнительного упрощения конструкции и повышения эффективности опреснителя нагреватель испарителя выполнен в виде кавитационно-вихревого электроприводного устройства, гидравлически сообщенного с испаряемой в испарителе жидкостью, а испаритель выполнен в виде осесимметричной емкости с включенной в контур циркуляции опресняемой жидкости в испарителе вихревой камерой, по теплу сообщенной с дополнительным теплообменником контура циркуляции дистиллята. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Опреснитель, состоящий из испарителя с внешним нагревателем опресняемой жидкости, по меньшей мере одним рекуперационным теплообменником возврата в испаритель тепла, получаемого испаряемой жидкостью в рабочем процессе опреснения, нагнетатель пара из испарителя в конденсатор, каналов для подвода опресняемой жидкости к испарителю, каналов слива дистиллята и рассола, отличающийся тем, что нагнетатель пара выполнен в виде эжекционного устройства, высоконапорное сопло которого включено в контур циркуляции дистиллята, снабженный устройством повышения давления на выходе эжекционного устройства, а выход камеры смешения гидравлически сообщен со входом обеспечивающего циркуляцию дистиллята в указанном контуре насоса и дополнительным теплообменником, по теплу сообщенным с испарителем, причем контур циркуляции дистиллята гидравлически связан с устройством отбора дистиллята и поддержания в контуре постоянного количества опресненной жидкости.2. Опреснитель по п.1, отличающийся тем, что устройство отбора дистиллята выполнено в виде подключенной между выходом дополнительного теплообменника испарителя и входом в циркуляционный насос вихревой камеры со свободным уровнем вращающейся жидкости, сообщенным с ограничивающим этот уровень каналом слива дистиллята.3. Опреснитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что устройство повышения давления на выходе эжекционного устройства выполнено в виде трубопроводов, каналов дополнительного теплообменника и тангенциально установленного в вихревую камеру сопла.4. Опреснитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что устройство слива дистиллята и повышения давления на выходе эжекционного устройства выполнено в виде установленного в канале слива дистиллята дросселирующего клапана, преимущественно подключенного к всасывающей линии насоса контура циркуляции дистиллята.5. Опреснитель по пп.1-3, отличающийся тем, что рекуперационный теплообменник нагрева поступающей на испарение от внешнего источника жидкости выполнен совмещенным с вихревой камерой устройства отбора дистиллята.6. Опреснитель по пп.1-5, отличающийся тем, что нагреватель испарителя выполнен в виде кавитационно-вихревого электроприводного устройства, гидравлически сообщенного с испаряемой в испарителе жидкостью посредством ее циркуляции через указанное устройство и рабочие элементы испарителя.7. Опреснитель по пп.1-6, отличающийся тем, что испаритель выполнен в виде осесимметричной емкости с по меньшей мере одной включенной в контур циркуляции опресняемой жидкости в испарителе вихревой камерой, по теплу сообщенной с дополнительным теплообменником контура циркуляции дистиллята.8. Опреснитель по пп.1-7, отличающийся тем, что в нижней части выполненного вертикальным испарителя выполнена сепарационная камера для сбора рассола, канал слива которого по теплу сообщен со вторым рекуперационным теплообменником подогрева поступающей в испаритель опресняемой жидкости.9. Опреснитель по пп.6-8, отличающийся тем, что каналы подвода к испарителю опресняемой жидкости подключены ко входному каналу кавитационно-вихревого устройства.10. Опреснитель по пп.6-9, отличающийся тем, что выходной канал кавитационно-вихревого устройства подключен тангенциально к вихревой камере испарителя, а его входной канал подключен к указанной вихревой камере в зоне повышенного давления в ней.11. Опреснитель по пп.1-11, отличающийся тем, что испаритель снабжен по меньшей мере одним дополнительным регулируемым по мощности нагревателем.