ОПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2011 года по МПК C02F1/16 

Изобретение относится к области энергетики и химической технологии (дистилляция воды для пищевых и технологических целей). Может быть использована в странах с жарким сухим климатом при использовании солнечной энергии, а также на судах дальнего плавания, подводных лодках при использовании электрической или тепловой энергии.

Известны термические опреснительные установки, в которых исходная вода нагревается и испаряется в испарителях за счет пара, проходящего через поверхности нагрева. Далее полученный пар конденсируют и получают обессоленную дистиллированную воду (см. П.Д.Лебедев, А.А.Щукин «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий». - М.: Энергия, 1970, рис.2-3, стр.95). Недостатком этих установок является недостаточное качество дестиллированной воды из-за того, что процесс нагрева воды совмещен с процессом испарения, а с образовавшимся паром происходит унос капель воды, содержащей соли и другие примеси.

Известны также термические опреснительные установки, в которых исходная вода из источника неограниченного объема (например, море), содержащая соли и примеси, нагревается в подогревателе исходной воды (теплообменнике) ниже температуры кипения при установившемся давлении в подогревателе, далее вода прогоняется чрез центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП), в котором снижается давление, вода вскипает и часть воды испаряется, охлаждаясь за счет снижения давления и температуры кипения (процесс раздельного последовательного нагрева воды и испарения). Охлажденная вода сбрасывается в источник неограниченного объема. Образующийся пар, лишенный примесей при центробежно-вихревом испарении (центробежные силы отбрасывают капли воды обратно в поток воды и сепарируют пар), подается в охлаждаемую емкость-аккумулятор обессоленной воды, являющуюся одновременно и конденсатором образовавшегося пара (далее емкость-конденсатор). Емкость-конденсатор находится под вакуумом, создаваемым вихревым вакуумным насосом (водоструйным вихревым эжектором). Конденсат является обессоленной (дистиллированной, опресненной) водой, готовой к потреблению в пищевых и технических целях (см. Журнал «Изобретатель и рационализатор» №11 от 1976 года, стр.7-9.) Эта установка принята в качестве прототипа.

Прототип имеет недостатки:

1. Всасывающий патрубок вакуумного насоса (эжектора) присоединен к парогенератору через емкость-конденсатор. Чтобы слить дестиллированную воду из емкости-конденсатора, ее необходимо установить на высоте, превышающей высоту вакуума (если вакуум равен 0,6 кгс/см² (6 м вод.ст.), то емкость устанавливается на высоте выше 7 метров). При меньшей высоте установки емкости будет невозможно слить из нее дистиллированную воду.

2. Вихревой вакуумный насос имеет КПД в два раза ниже, чем обычный водоструйный эжектор, и может создать вакуум порядка 4-5 метров водяного столба (в то время как водоструйный эжектор - 9,9 м вод.ст.). При вакууме 5 м вод. ст.вода кипит при температуре 80,86°C, что требует высокой температуры нагрева исходной воды (выше 85 градусов). Вода может охладиться за счет испарения только до 80,86°C. Далее она сливается обратно в источник неограниченного объема (в море) при высокой температуре. Пропадает часть тепла, переданная воде в теплообменнике (низкое КПД использования тепла теплообменника).

Для вакуумных опреснительных установок требуется более глубокий вакуум и рециркуляция горячей воды, прошедшей ЦВП, обратно в подогреватель.

3. Патрубок слива выпаренной воды (остатка) из ЦВП также находится под вакуумом, что требует установки ЦВП на определенной высоте и не позволяет установить ЦВП в низком помещении, например, в подводной лодке или корабле.

Целью настоящего изобретения является опреснение морской воды (любой минерализованной воды) в районах с жарким климатом путем использования солнечной энергии для нагрева воды, а также обеспечение возможности опреснения морской воды на подводных лодках и кораблях.

Поставленная цель достигается тем, что в известной опреснительной установке, содержащей источник исходной воды, насос исходной воды, теплообменник-подогреватель исходной воды, центробежно-вихревой парогенератор с подводящим и отводящим трубопроводами исходной воды и с отводящим паропроводом, конденсатор пара, аккумулирующую емкость дистиллированной воды (опресненной воды, конденсата) с отводящим трубопроводом дистиллированной воды, соединительные трубопроводы исходной воды, подогревателем исходной воды является емкость-подогреватель, получающая энергию солнца через фокусирующие отражатели или линзы или через поверхности нагрева от альтернативного источника энергии, причем трубопровод, подводящий воду к ЦВП, связан с емкостью-подогревателем через циркуляционный насос, а отводящий трубопровод воды от ЦВП также связан с этой емкостью-нагревателем, и все вместе (емкость, насос, трубопровод, ЦВП, трубопровод, емкость) образуют замкнутую циркуляционную систему, кроме этого, патрубок, отводящий пар от ЦВП, соединен со всасывающим патрубком водоструйного эжектора, входящего в систему обеспечения вакуума и конденсации паров, полученных в ЦВП, и отвода дистиллированной воды (дистиллята, конденсата).

Замкнутая система обеспечения вакуума и конденсации паров, полученных в ЦВП и отвода дистиллированной воды, содержит бак рабочей воды (БРВ), циркуляционный насос рабочей воды (ЦНРВ), водоструйный эжектор-конденсатор паров, соединенный с нагнетательным патрубком насоса и сливным трубопроводом с БРВ, охладитель рабочей воды, установленный на сливном трубопроводе воды после эжектора, трубопровод отбора воды из БРВ.

Верхняя наджидкостная часть емкости-нагревателя исходной воды соединена дыхательным трубопроводом с ЦВП, а на трубопроводе имеется запорно-регулирующий орган (клапан, кран, задвижка).

Центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП) содержит основной корпус в виде обечайки (отрезка трубы) с верхней и нижней торцевыми крышками, с тангенциальным патрубком подвода исходной нагретой воды, с отверстиями в нижней части корпуса, с циклоном-сепаратором, в верхней части которого размещена нижняя часть основного корпуса с отверстиями, и труба отвода пара, проходящая через основной корпус, а в нижней части имеется тангенциальный патрубок отвода воды.

Циркуляционный насос, подающий воду из емкости-нагревателя в ЦВП, имеет трубопровод рециркуляции воды от нагнетательного патрубка к всасывающему, с соплом на конце, помещенном перед рабочим колесом насоса, или на этом трубопроводе рециркуляции установлен водоструйный эжектор, всасывающий патрубок которого соединен с емкостью-нагревателем.

Емкость-подогреватель 3 имеет трубопровод продувки (сброса в канализацию частично выпаренной воды).

На фиг.1 показана схема опреснительной установки с использованием солнечной энергии.

На фиг.2 - схема опреснительной установки с использованием альтернативной энергии (электрической, тепловой, механической) в низком помещении (например, в подводной лодке или корабле).

На фиг.3 - схема насоса (п.10 фиг.2) с использованием антикавитационного устройства в виде сопла на конце трубопровода рециркуляции воды, установленным перед рабочим колесом насоса.

На фиг.4 - схема опреснительной установки с использованием антикавитационного устройства для насоса 10 в виде водоструйного эжектора.

На фиг.5 - продольный разрез центробежно-вихревого парогенератора (ЦВП) (в качестве ЦВП взят «Деаэратор-тепломассообменник» центробежно-вихревого типа, защищенный патентом РФ №2131555).

Опреснительная установка имеет: 1 - источник исходной воды (море, озеро, бассейн); 2 - насос исходной воды; 3 - емкость-подогреватель исходной воды (емкость должна иметь форму, выдерживающую наружное атмосферное давление до 9 метров водяного столба); 4 - трубопровод исходной воды, подаваемой в емкость 3 через теплообменник 5 (охладитель рабочей воды); 6 - обводной трубопровод помимо теплообменника 5; 7 - устройства, направляющие энергию солнечных лучей на емкость-нагреватель (фокусирующие зеркала, линзы), 8 - запасной нагреватель от альтернативного источника энергии (например, электронагреватель); 9 - регулятор уровня воды в баке 3; 10 - насос подачи нагретой воды из емкости 3 в центробежно-вихревой парогенератор ЦВП; 11 - продувочный трубопровод для слива концентрированного рассола из бака 3 (для поддержания определенного солесодержания воды в баке 3); 12 - центробежно-вихревой парогенератор ЦВП с подводящим - 13, отводящим - 14 трубопроводами воды и паропроводом 15 (ЦВП необходимо установить на высоте 6-8 м выше уровня воды в баке 3, например, на столбе или вышке); 16 - водоструйный эжектор-конденсатор пара с подводящим 17 и отводящим - 18 трубопроводами рабочей воды, в качестве которой используется образовавшийся из пара конденсат (может быть установлен на том же столбе (вышке), что и ЦВП); 19 - всасывающий патрубок эжектора, на котором устанавливают вакуумметр 20; 21 - теплообменник продувочной воды на трубопроводах 4 и 11; 22 - бак рабочей воды (конденсата) с трубопроводами 23 - слива конденсата и 24 - опорожнения бака; 25 -циркуляционный насос рабочей воды; 26 - накопительный (расходный) бак конденсата (обессоленной, опресненной воды), 28 - продувочный трубопровод; 29 - перфорированная труба (дипергатор) на конце трубы 14, помещенная в верхней части емкости 3. 30 - дыхательная труба, соединяющая верхнее пространство бака 3 с ЦВП с запорно-регулирующим органом (клапаном) 31 (устанавливается при недостаточной высоте помещения, когда ЦВП устанавливается непосредственно над баком 3, см. фиг.2); 32 - трубопровод рециркуляции воды от нагнетательного патрубка насоса 10 к всасывающему патрубку с соплом 34 на конце трубопровода перед рабочим колесом 35 насоса 10 (фиг.3). На фиг.4 в качестве антикавитационного устройства используется водоструйный эжектор 36 вместо сопла 34.

Изображенный на фиг.5 центробежно-вихревой парогенератор ЦВП имеет цилиндрический корпус 37 в виде отрезка трубы с верхней 38 и нижней 39 кольцевыми крышками, с тангенциальным патрубком 40 подвода перегретой воды, с окнами 41 (или короткими тангенциальными патрубками), с кольцевой перегородкой 42 (шайбой), с патрубком 43, соединяющим ЦВП с баком 3 при помощи дыхательной трубы 30 (фиг.2), трубы 44 отвода пара из ЦВП. Ниже окон 41 имеется циклон 45 (сепаратор пара от воды), в нижней части которого находится тангенциальный патрубок 46, отводящий воду в бак 3 по трубе 14.

Работа установки (фиг.1) осуществляется следующим образом. Исходная вода из источника исходной воды (моря) насосом 2 подается в емкость 3 (при заполнении емкости 3 через обводной трубопровод 6 и регулятор уровня 9). При работе установки трубопровод 6 перекрыт, и исходная вода подается в ЦВП через трубопровод 4 и теплообменник 21 и регулятор уровня 9. Солнечные лучи направляются на стенки емкости 3 при помощи фокусирующих зеркал 7 (альтернативный источник энергии для нагрева воды может быть использован ночью, а также на кораблях и подводных лодках). Вода в емкости 3 нагревается (например, до 80°C). Включается в работу насос 10, который обеспечивает циркуляцию воды из емкости в парогенератор 12 (ЦВП). Далее по трубопроводу 14 обратно в емкость 3. В ЦВР вода приобретает вращательное движение, а давление воды падает до величины ниже точки кипения (например, до 0,2 ата, когда Т кипения равна 59,76°C). Образующийся пар направляется в паропровод 15, а вода, охлажденная за счет парообразования до 59,76°C, направляется обратно в бак 3. Концентрация солей в баке 3 повышается, так как пар отводится без солей. Чтобы поддерживать постоянство солесодержания в воде бака 3, часть воды сбрасывают по продувочному трубопроводу 11 через теплообменник 21 в канализацию.

ЦВП должен быть установлен на высоте 10 метров, чтобы охлажденная вода самотеком сливалась в бак 3 (например, на столбе или вышке. См. фиг.1). Пар отсасывается эжектором 16 через всасывающий патрубок 19 и конденсируется за счет контакта с рабочей водой эжектора. Рабочая вода нагревается за счет конденсации пара. Она проходит через теплообменник 21 (охладитель рабочей воды), охлаждается и сливается в бак 22 рабочей воды. Из бака 22 насосом 25 рабочая вода направляется снова в эжектор 16. Количество рабочей воды в баке 22 возрастает за счет конденсата, полученного из пара. Бак 22 заливают первоначально питьевой водой. В процессе работы вся рабочая вода в баке 22 становится конденсатом за счет конденсации пара. Излишки конденсата (опресненной воды) сливаются по сливному трубопроводу 23 (трубопроводу отбора воды из БРВ) в расходную емкость 26 и разбираются потребителями. Исходная вода, проходя теплообменник 5, охлаждает рабочую воду и немного нагревается. Часть этой воды направляется в бак 3 через теплообменник 21 и регулятор 9 (помимо обводного трубопровода 6), а часть воды сливается в канализацию или обратно в море по трубопроводу 27. В процессе работы вода в баке 3 испаряется, а соли остаются в баке. Концентрация солей возрастает. Для поддержания постоянства концентрации солей в баке 3 производят продувку (сброс части воды в канализацию) через продувочный трубопровод 11. Для использования тепла продувочной воды ее перед сбросом в канализацию пропускают через теплообменник 21.

Установка может работать как в непрерывном режиме, так и в периодическом. Если мощность нагревателей соответствует производительности и температура воды в баке 3 поддерживается постоянной, то установка может работать непрерывно. Если тепловая мощность солнечных отражателей меньше мощности парогенератора, то воду в баке 3 следует нагреть до максимальной и запустить установку. Температура воды в баке 3 будет постепенно падать и приближаться к температуре кипения при данном вакууме. Работа установки осуществляется в периодическом режиме. Установка на солнечной энергии может работать днем в непрерывном режиме, а вечером и ночью - до охлаждения воды в баке 3 или переключиться на альтернативный источник энергии.

Работа ЦВП осуществляется следующим образом. Перегретая выше температуры кипения вода поступает в корпус 37 по тангенциальному патрубку 40, приобретая вращательное движение. Устанавливается вертикальный вращающийся уровень воды. Давление вращающегося потока воды падает от периферии к центру, вода закипает. Через окна 41 потоки воды и пара поступают в циклон 45. Пар выходит из ЦВП по трубе 44 в эжектор 16, а остатки воды - через патрубок 46 в бак 3. Патрубок 43 и труба 30, при частично открытой задвижке 31, обеспечивают вакуум в баке 3 (несколько меньший, чем в ЦВП). Разность вакуума (разность абсолютных давлений в баке 3 и в ЦВП) создают условия, когда вода в баке 3 не кипит, а в ЦВП кипит.

Установка в варианте фиг.2 отличается тем, что ЦВП не имеет возможности быть установленным на достаточной высоте (например, установка находится на подводной лодке или корабле). Циркуляция воды между баком 3 и ЦВП (12) осуществляется за счет насоса 10. При помощи дыхательной трубы 30 и запорно-регулирующего органа (клапана) 31 в баке 3 устанавливается вакуум. Чтобы избежать кавитации насоса 10, работающего под вакуумом, установлена труба рециркуляции воды 32 с соплом 34 (см. фиг.3) или эжектор 36 (см. фиг.4).

Наличие емкости-подогревателя, соединенной с центробежно-вихревым парогенератором (ЦВП) при помощи трубопроводов и циркуляционного насоса, с образованием замкнутой циркуляционной системы, обеспечивает большую экономию тепловой энергии, так как сбрасываемая из ЦВП вода нагрета значительно выше, чем исходная (в прототипе недостаточно охлажденная вода сразу же сбрасывалась в источник воды неограниченного объема - в море (равноценно - в канализацию) и на ее место поступала холодная исходная вода).

Соединение патрубка, отводящего пар от ЦВП, с всасывающим патрубком водоструйного эжектора позволяет эжектору стать конденсатором и установить его на небольшой высоте, которую может обеспечить помещение подводной лодки или корабля (у прототипа коденсатор, находящийся под вакуумом, должен находиться на высоте создаваемого вакуума, чтобы слить из него конденсат (дистиллят)).

Наличие водоструйного эжектора-конденсатора пара и соединение его всасывающего патрубка с паропроводом от ЦВП создает более глубокий вакуум, чем вихревой вакуумный насос, что обеспечивает более глубокое охлаждение воды, поступающей в ЦВП, и образование большего количества пара.

Использование дистиллята (конденсата) пара в качестве рабочей воды для эжектора и наличие охладителя рабочей воды (5) на трубопроводе дистиллята, упрощает конструкцию установки (по причине отсутствия вакуума в системе циркуляции дистиллята, являющегося рабочей водой эжектора и отсутствия необходимости установки емкости дистиллята на высоте, определяемой вакуумом).

Соединение верхней наджидкостной части емкости - нагревателя исходной воды дыхательным трубопроводом с ЦВП и установка на этом трубопроводе запорно-регулирующего органа (клапана, крана, задвижки) позволяет поставить емкость-нагреватель под некоторый вакуум и обеспечить свободный слив воды из ЦВП в эту емкость (частично используя динамический напор вращающегося потока воды в ЦВП).

Наличие трубопровода рециркуляции между нагнетательным и всасывающим патрубками циркуляционного насоса и сопла на конце этого трубопровода перед рабочим колесом насоса или наличие на этом трубопроводе рециркуляции водоструйного эжектора, всасывающий патрубок которого соединен с емкостью-нагревателем, позволяет предупредить кавитацию насоса 10, при вакууме в емкости 3 и в трубопроводе перед насосом 10.

Наличие трубопровода продувки у емкости-нагревателя позволяет минимизировать количество продувочной воды с максимальным количеством солей, что уменьшит потери тепла.

Изобретение относится к установке для опреснения морской воды и может быть использовано в районах с жарким климатом с использованием солнечной энергии для нагрева воды, а также на подводных лодках и кораблях. Опреснительная установка содержит источник воды, насос исходной воды, теплообменник-подогреватель исходной воды, центробежно-вихревой парогенератор, конденсатор пара, аккумулирующую емкость конденсата с отводящим трубопроводом. Подогреватель исходной воды выполнен в виде емкости-подогревателя, получающей энергию солнца через фокусирующие отражатели или линзы. Подводящий трубопровод воды центробежно-вихревого парогенератора связан с емкостью-подогревателем через циркуляционный насос, при этом отводящий трубопровод воды центробежно-вихревого парогенератора также связан с емкостью-подогревателем, образуя замкнутую циркуляционную систему. Технический результат: снижение энергетических затрат, создание более глубокого вакуума, обеспечение более глубокого охлаждения воды, повышение эффективности опреснения. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Опреснительная установка, содержащая источник исходной воды, насос исходной воды, трубопровод исходной воды, подогреватель исходной воды, центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП) с подводящим трубопроводом нагретой воды, с отводящим трубопроводом воды от ЦВП, с паропроводом, отводящим пар от ЦВП, циркуляционные соединительные водопроводы, конденсатор пара, аккумулирующую емкость сконденсированного пара (дистиллята, конденсата) с отводящим трубопроводом дистиллята, отличающаяся тем, что подогревателем исходной воды является емкость-подогреватель, получающая энергию солнца через фокусирующие отражатели или линзы или через поверхности нагрева от альтернативного источника энергии, причем трубопровод, подводящий воду к ЦВП, связан с емкостью-подогревателем через циркуляционный насос, а отводящий трубопровод воды от ЦВП также связан с этой емкостью-нагревателем, и все вместе (емкость, насос, трубопровод, ЦВП, трубопровод, емкость) образуют замкнутую циркуляционную систему, кроме этого, патрубок, отводящий пар от ЦВП, соединен со всасывающим патрубком водоструйного эжектора, входящего в систему обеспечения вакуума и конденсации паров, полученных в ЦВП, и отвода дистиллированной воды (дистиллята, конденсата).

2. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что замкнутая система обеспечения вакуума и конденсации паров, полученных в ЦВП, и отвода дистиллированной воды содержит бак рабочей воды (БРВ), циркуляционный насос рабочей воды (ЦНРВ), водоструйный эжектор-конденсатор паров, соединенный с нагнетательным патрубком насоса и сливным трубопроводом с БРВ, охладитель рабочей воды, установленный на сливном трубопроводе воды после эжектора, трубопровод отбора воды из БРВ, причем бак рабочей воды является аккумулятором опресненной воды (дистиллята, конденсата).

3. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя наджидкостная часть емкости-нагревателя исходной воды соединена дыхательным трубопроводом с ЦВП, а на трубопроводе имеется запорно-регулирующий орган (клапан, кран, задвижка).

4. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП) содержит основной корпус в виде обечайки (отрезка трубы) с верхней и нижней торцевыми крышками, с тангенциальным патрубком подвода исходной нагретой воды, с отверстиями в нижней части корпуса, с циклоном-сепаратором, в верхней части которого размещены нижняя часть основного корпуса с отверстиями и труба отвода пара, проходящая через основной корпус, а в нижней части имеется тангенциальный патрубок отвода воды.

5. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что циркуляционный насос, подающий воду из емкости-нагревателя в ЦВП, имеет трубопровод рециркуляции воды от нагнетательного патрубка к всасывающему с соплом на конце, помещенным перед рабочим колесом насоса, или на этом трубопроводе рециркуляции установлен водоструйный эжектор, всасывающий патрубок которого соединен с емкостью-нагревателем.

6. Опреснительная установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость-подогреватель имеет трубопровод продувки.