ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ 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 быль использован для деминерализации шахтных вод и в технологических процессах различных производств.

Известен рекуперационный опреснитель, 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, В 01 D 3/06, состоящий из испарителя с внешним нагревателем опресняемой жидкости, парогенерирующей емкостью со свободным уровнем 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

- емкость со свободным уровнем жидкости снабжена по меньшей мере одной вихревой камерой, гидравлически сообщенной с выходным и входным каналами кавитационно-вихревого приводного теплогенератора с образованием контура циркуляции опресняемой жидкости в испарителе, и по меньшей мере одной гидравлически сообщенной с указанным контуром циркуляции сепарационной камерой, сообщенной с каналом отвода рассола, причем теплообменник конденсационного устройства сообщен по теплу с контуром циркуляции опресняемой воды в испарителе;

- теплообменник конденсационного устройства своим входом подключен к вихревой камере в зоне повышенного давления, а своим выходом подключен к вихревой камере в зоне пониженного давления;

- выход теплообменника подогрева поступающей на опреснение воды сообщен с входным каналом кавитационно-вихревого приводного теплогенератора;

- теплообменник подогрева поступающей на опреснение воды выполнен из теплообменников отбора тепла от сливаемых из опреснителя дистиллята и рассола;

- кавитационно-вихревой теплогенератор своим выходным каналом через сопло тангенциально сообщен с входом в вихревую камеру испарителя и своим входным каналом с выходом из вихревой камеры через устройство повышения гидростатического давления;

- емкость испарителя выполнена осесимметричной и вертикальной и снабжена горизонтальными перегородками, образующими дополнительные гидравлически сообщенные с кавитационно-вихревым теплогенератором полости, причем верхняя полость снабжена распылительными форсунками, полость под ней выполнена парогенерирующей со свободным уровнем вращающейся в ней жидкости по меньшей мере за счет гидравлической ее непосредственной связи через каналы в горизонтальной перегородке с расположенной под ней вихревой камерой контура циркуляции опресняемой жидкости;

- сепарационная камера отвода рассола расположена под вихревой камерой и сообщена с ней через каналы в разделяющей их горизонтальной перегородке;

- в емкости испарителя установлен датчик уровня свободной поверхности опресняемой жидкости, сообщенный с регулятором расхода поступающей в испаритель жидкости;

- нагнетатель пара выполнен в виде приводной высоконапорной гидромашины, например, лопастного типа;

- нагнетатель пара к конденсатор выполнены в виде эжекционного устройства, высоконапорное сопло которого включено в контур циркуляции дистиллята, а выход камеры смешения которого гидравлически сообщен со входом насоса контура циркуляции дистиллята, который по теплу сообщен с контуром циркуляции опресняемой в испарителе жидкости через теплообменник конденсационного устройства;

- теплообменник конденсационного устройства непосредственно встроен в емкость испарителя.

На фиг.1 и 2 показаны два из множества возможных технических решений предложенного опреснителя.

Испарительный опреснитель 1 содержит испаритель с испарительной парогенерирующей емкостью 2 со свободным уровнем жидкости 3, сообщенной через нагнетатель пара 4 с конденсационным устройством 5, а также теплообменник 6 подогрева поступающей для опреснения жидкости, например холодной морской воды, канал отвода дистиллята 7 и канал отвода рассола 8.

Емкость 2 со свободным уровнем жидкости 3 снабжена по меньшей мере одной вихревой камерой 9, гидравлически сообщенной с выходным 10 и входным (всасывающим) каналом 11 кавитационно-вихревого приводного теплогенератора 12 с образованием контура циркуляции опресняемой жидкости в испарителе 1, который также гидравлически сообщен с по меньшей мере одной сепарационной камерой 13, гидравлически сообщенной с каналом отвода рассола 8, например, через дроссельный регулятор расхода 14, например, управляемый по концентрации солей в сепарационной камере 13 посредством датчика 15.

Теплообменник конденсационного устройства 5 сообщен по теплу с контуром циркуляции опресняемой воды испарителя 1, например, посредством трубопроводов 16 и 17. Трубопровод 16 подключен к вихревой камере 9 на ее периферии, т.е. в зоне повышенного давления, а трубопровод 17 через регулирующий дроссель 18 (в вариантах исполнения дроссель 18 может отсутствовать) подключен по оси вихревой камеры, т.е. к зоне пониженного давлений камеры 9, что обеспечивает требуемый расход опресняемой жидкости через теплообменник конденсационного устройства 5 и требуемую передачу выделяемого там (при конденсации пара) тепла в испаритель 1. Понятно, что в вариантах исполнения теплообменник конденсационного устройства 5 может быть подключен к контуру циркуляции испарителя посредством дополнительного циркуляционного насоса (не показан). Рационально по меньшей мере часть подаваемой в испаритель жидкости, если она холоднее жидкости в контуре циркуляции испарителя, вводить в входной канал 11 тепло генератора 12 (для улучшения процесса всасывания его насосной части), например, по каналу 19 теплообменника 20 отбора тепла, установленного на линии 8 слива рассола. Теплообменники 6 и 20 в совокупности представляют собой теплообменник подогрева поступающей на опреснение воды.

Кавитационно-вихревой теплогенератор 12 своим выходным каналом 10 через тангенциально установленное сопло 21 подключен к вихревой камере 9 испарителя, а своим входным каналом 11 подключен к камере 9 через устройство повышения гидростатического давления, на фиг.1 выполненного в виде патрубка 22, установленного на периферии камеры 9 навстречу натекающему потоку жидкости, что обеспечивает безкавитационную работу насосной части теплогенератора 12.

В варианте по фиг.1 емкость 2 испарителя 1 выполнена осесимметричной и вертикальной и снабжена горизонтальными перегородками 23 и 24, образующими дополнительные гидравлически сообщенные с кавитационно-вихревым теплогенератором 12 полости 24, 2 и 9, причем верхняя полость 25 снабжена распылительными форсунками 26 (форсунки могут выполняться в виде каналов и отверстий непосредственно в перегородке 24), полость 2 под перегородкой 24 выполнена парогенерирующей со свободным уровнем 3 вращающейся в ней жидкости по меньшей мере за счет гидравлической ее непосредственной связи через каналы 27 в перегородке 23 с расположенной под ней вихревой камерой 9 контура циркуляции опресняемой жидкости.

Сепарационная камера может быть также выполнена в едином корпусе с камерами 2, 9, 25, например, под вихревой камерой 9, см. камеру 28 на фиг.2, и сообщена с ней через каналы в разделяющей их перегородке 29. Устройство повышения гидростатического давления во входном канале 11 теплогенератора 12 в варианте выполнения по фиг.2 выполнено в виде соосно расположенного в вихревой камере 9 лопастного направляющего аппарата 30. В емкости 2 со свободным уровнем жидкости 3 установлен датчик 31 уровня свободной поверхности 3 опресняемой жидкости, сообщенный с регулятором 32 расхода поступающей в испаритель жидкости.

В варианте по фиг.2 нагнетатель пара и конденсационное устройство выполнены в виде эжекционного устройства, высоконапорное сопло 33 которого включено в контур циркуляции дистиллята 34, а выход камеры смешения 35 гидравлически сообщен со входом насоса 36 контура циркуляции 34, который по теплу сообщен с контуром циркуляции испаряемой в испарителе 1 жидкости через теплообменник 37 и теплообменник 38, причем теплообменник 37 конденсационного устройства непосредственно встроен в емкость 2 испарителя, а теплообменник 38 конденсационного устройства выполнен выносным или может быть непосредственно встроен в корпус испарителя 1. Для интенсификации испарения в емкости 2 по оси установлены турбулезаторы пара 42, приводимые или непосредственно от внешнего электродвигателя 39 (см. фиг.1), или от турбины 40, установленной в вихревой камере 9 в ее центральной части (см. фиг.2).

Работает описываемое устройство следующим образом.

Опреснитель заполняется опресняемой жидкостью через регулятор расхода 32, включается теплогенератор 12 (любого известного типа, например, по патенту РФ, заявка № 99110396) и осуществляется нагрев жидкости в испарителе, образующийся в парогенерирующей емкости 2 пар при включении электродвигателя 39 или насоса 36 отсасывается из испарителя 1, что приводит к понижению давления в емкости 2 и повышению давления в конденсационном устройстве (за счет гидравлического сопротивления теплообменника 5 и/или дросселирующего устройства 41, см. фиг.1, или контура циркуляции 34, см. фиг.2). При температуре в конденсационном устройстве более высокой, чем в испарителе, происходит конденсация пара, а теплота парообразования, выделяемая при конденсации пара, посредством теплообменника 5, см. фиг.1, или теплообменников 37 и 38 передается жидкости в испарителе, интенсифицируя процесс парогенерирования. Эффективность опреснителя также повышается за счет подогрева подводимой к опреснителю холодной жидкости через регенеративные теплообменники 6 и 20, см. фиг.1, или 6 и 6¹, см. фиг.2.

Особенность рабочего процесса опреснителя по фиг.2 в том, что при пуске опреснителя следует предварительно заполнить дистиллятом контур циркуляции 34 дистиллята. Получаемый дистиллят сливается по каналам 7.

Описываемый испарительный опреснитель достаточно прост конструктивно и не требует частого обслуживания, поскольку кавитационно-вихревые процессы, генерируемые в теплогенераторе 12, не допускают отложения солей в трубопроводах и рабочих полостях испарителя, что также позволяет сбрасывать из испарителя рассол с высокой концентрацией солей и реализовывать непрерывный процесс опреснения. Процесс пуска и поддержание оптимального рабочего процесса опреснителя достигаются при достаточно простой автоматизации опреснителя.

Предложен испарительный опреснитель, содержащий испаритель с емкостью со свободным уровнем жидкости, сообщенной через нагнетатель пара с конденсационным устройством, теплообменник подогрева поступающей для опреснения холодной морской воды, каналы отвода дистиллята и отвода рассола. Для повышения эффективности, устранения отложений солей в испарителе и снижения эксплуатационных затрат емкость со свободным уровнем жидкости снабжена вихревой камерой, сообщенной с кавитационно-вихревым теплогенератором с образованием контура циркуляции опресняемой жидкости в испарителе и сообщенной с указанным контуром циркуляции сепарационной камерой, сообщенной с каналом отвода рассола. Для дополнительного упрощения конструкции, повышения устойчивости рабочего процесса и эффективности опреснителя кавитационно-вихровой теплогенератор через сопло тангенциально сообщен с входом в вихревую камеру испарителя. Емкость испарителя выполнена осесимметричной и вертикальной, содержит встроенный теплообменник конденсационного устройства и снабжена горизонтальными перегородками, образующими дополнительные полости, причем верхняя полость снабжена распылительными форсунками. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Испарительный опреснитель, содержащий испаритель с емкостью со свободным уровнем жидкости, сообщенной через нагнетатель пара с конденсационным устройством, теплообменник подогрева поступающей для опреснения холодной морской воды, каналы отвода дистиллята и отвода рассола, отличающийся тем, что емкость со свободным уровнем жидкости снабжена по меньшей мере одной вихревой камерой, гидравлически сообщенной с выходным и входным каналами кавитационно-вихревого приводного теплогенератора с образованием контура циркуляции опресняемой жидкости в испарителе и по меньшей мере одной гидравлически сообщенной с указанным контуром циркуляции сепарационной камерой, сообщенной с каналом отвода рассола, причем теплообменник конденсационного устройства сообщен по теплу с контуром циркуляции опресняемой воды в испарителе.2. Испарительный опреснитель по п.1, отличающийся тем, что теплообменник конденсационного устройства своим входом подключен к вихревой камере в зоне повышенного давления, а своим выходом подключен к вихревой камере в зоне пониженного давления.3. Испарительный опреснитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что выход теплообменника подогрева поступающей на опреснение воды сообщен с входным каналом кавитационного-вихревого приводного теплогенератора.4. Испарительный опреснитель по пп.1-3, отличающийся тем, что теплообменник подогрева поступающей на опреснение воды выполнен из теплообменников отбора тепла от сливаемых из опреснителя дистиллята и рассола.5. Испарительный опреснитель по пп.1-4, отличающийся тем, что кавитационно-вихровой теплогенератор своим выходным каналом через сопло тангенциально сообщен с входом в вихревую камеру испарителя и своим входным каналом с выходом из вихревой камеры через устройство повышения гидростатического давления.6. Испарительный опреснитель по пп.1-5, отличающийся тем, что емкость испарителя выполнена осесимметричной и вертикальной и снабжена горизонтальными перегородками, образующими дополнительные гидравлически сообщенные с кавитационно-вихревым теплогенератором полости, причем верхняя полость снабжена распылительными форсунками, полость под ней выполнена парогенерирующей со свободным уровнем вращающейся в ней жидкости по меньшей мере за счет гидравлической ее непосредственной связи через каналы в горизонтальной перегородке с расположенной под ней вихревой камерой контура циркуляции опресняемой жидкости.7. Испарительный опреснитель по п.6, отличающийся тем, что сепарационная камера отвода рассола расположена под вихревой камерой и сообщена с ней через каналы в разделяющей их горизонтальной перегородке.8. Испарительный опреснитель по пп.1-7, отличающийся тем, что в емкости испарителя установлен датчик уровня свободной поверхности опресняемой жидкости, сообщенный с регулятором расхода поступающей в испаритель жидкости.9. Испарительный опреснитель по пп.1-8, отличающийся тем, что нагнетатель пара выполнен в виде приводной высоконапорной гидромашины, например, лопастного типа.10. Испарительный опреснитель по пп.1-8, отличающийся тем, что нагнетатель пара и конденсатор выполнены в виде эжекционного устройства, высоконапорное сопло которого включено в контур циркуляции дистиллята, а выход камеры смешения которого гидравлически сообщен со входом насоса контура циркуляции дистиллята, который по теплу сообщен с контуром циркуляции опресняемой в испарителе жидкости через теплообменник конденсационного устройства.11. Испарительный опреснитель по пп.1-10, отличающийся тем, что теплообменник конденсационного устройства непосредственно встроен в емкость испарителя.