АТОМНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2014 года по МПК B01D5/00 E03B3/28 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может найти применение для решения задач обеспечения населения пресной водой, обводнения прибрежных пустынь и аридных территорий.

Вода, соленость которой не превышает 0,1%, даже в форме пара или льда называется пресной. Ледяные массивы в полярных регионах и ледники содержат в себе наибольшую часть пресной воды земли. Помимо этого, пресная вода существует в пресных озерах, реках, ручьях, а также в облаках.

Возобновление пресных водных ресурсов происходит благодаря известному круговороту воды. В год с поверхности планеты земли испаряется приблизительно 525 тыс. куб. км воды, причем большую часть водяного пара, а именно 86%, нам дают океаны и моря.

В связи с расширяющимся загрязнением источников воды, ростом населения, освоением новых территорий встает задача искусственного получения пресной воды.

В настоящее время известно более 30 способов опреснения морской воды.

Однако даже новые современные промышленные технологии не обеспечивают полного обессоливания больших масс морской воды из-за разнообразия солей, промышленных и бытовых загрязнений. Опресненная в больших количествах морская вода имеет низкие вкусовые качества, часто опасна для здоровья, при этом технология опреснения морской воды весьма энергоемка и требует большого количества расходных материалов и оборудования.

Из уровня техники известны способы получения пресной воды из атмосферного воздуха, содержащего водяной пар.

Известна установка для получения пресной воды, содержащая конденсатную камеру, соединенную с забором и сбросом воздуха (см. патент RU №2157874, Е03В 3/28, C02F 1/04, 2000).

В данном устройстве поток атмосферного воздуха в конденсатную камеру обеспечивается принудительно или самотеком за счет энергии солнца или ветра. При этом конденсатная камера расположена под водой или в грунте на глубине, не имеющей сезонных изменений температуры.

Недостатком известного устройства является его низкая производительность.

Известно также устройство для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, содержащее твердую поверхность для конденсации в виде холодильных элементов, расположенных в теплоизолированной камере, снабженной электрическими нагревателями (см. патент RU №2045978, B01D 5/00, C02F 1/00, 1995).

При осуществлении работы известного устройства воздух из окружающей среды поступает внутрь камеры. Водяные пары из воздуха оседают на поверхности холодильных элементов в виде льда. Когда накапливается значительное количество льда, холодильные элементы выключаются и включаются электрические нагревательные элементы, которые плавят лед. Образовавшуюся воду выпускают наружу через кран.

Известно также устройство для эффективного получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, содержащее теплоизолированную холодильную камеру, насос, электрические нагреватели, расположенные внутри холодильной камеры (см. патент RU №2169032, B01D 5/00, Е03В 3/28, 2001).

Данное устройство представляет собой проточный компрессионный холодильник для конденсации атмосферной влаги. Холодный воздух дополнительно используется для повышения экономичности процесса.

Недостатками указанных известных устройств являются низкая скорость переохлаждения воздуха в холодильнике, медленная конденсация влаги на поверхности трубок холодильника, а также обмораживание трубок исключает непрерывность процесса и высокую производительность по конечному продукту.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для массового получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха (см. патент RU №2143033, Е03В 3/28, B01D 5/00, 1999).

Устройство содержит теплоизолированную холодильную камеру, насос-компрессор для засасывания воздуха из окружающей среды в холодильную камеру с патрубком для выпуска из камеры обезвоженного охлажденного воздуха, электрические нагреватели для расплавления льда, полученного при конденсации водяных паров из воздуха, емкость для сбора образовавшейся воды с краном и патрубком для выпуска воды наружу.

При этом насос-компрессор присоединен к змеевику-теплообменнику, который, в свою очередь, присоединен к соплу, а холодильная камера патрубком соединена с камерой-отстойником, где расположены электрические нагреватели и патрубок с краном для выпуска полученной воды наружу.

Данное устройство предназначено для получения воды из атмосферной влаги через вымораживание водяного пара с использованием компрессии воздуха, его охлаждения и адиабатического расширения. Полученные мелкие кристаллы льда периодически растапливаются электронагревателем с выпуском воды через кран.

Недостатками данного устройства являются: низкое качество полученной воды, так как не происходит улавливания незамерзающих капель и твердых примесей (солевых растворов, песка и т.п.); низкая скорость охлаждения сжатого воздуха с помощью наружного воздуха; низкая производительность по конечному продукту из-за периодичности оттаивания.

Заявляемое предложение решает задачу получения пресноводного экологически чистого конденсата, аналогичного по составу и происхождению дождевой воде.

Дождевая вода - это одна из многочисленных форм атмосферных осадков. Главный ее источник - это влага, испаряющаяся с поверхностей увлажненной почвы и водоемов. Водные массы, которые циркулируют в земной атмосфере, по-настоящему огромны: одно дождевое облако способно содержать в себе до нескольких сотен тонн воды.

Дождевая вода является продуктом как минимум двойной дистилляции: низкотемпературной (под воздействием солнечной радиации) и криогенной (при охлаждении на высоте облакообразования), хорошо усваивается организмом человека, животных и растений, не вызывая мутаций.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении эффективности работы устройства за счет обеспечения непрерывного процесса получения в промышленных объемах от 1-10 т/с, высокочистой воды, аналогичной по происхождению, химическому и изотопному составу дождевой воде.

Для достижения указанного технического результата в атомно-энергетическом комплексе, предназначенном преимущественно для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из атмосферного воздуха, включающем средство для забора воздуха, компрессор, соединенный с теплообменным устройством для охлаждения сжатого воздуха, турбодетандер, средства для транспортировки воды и воздуха с арматурой, согласно предложению он снабжен ядерной энергетической установкой, средство для забора воздуха выполнено в виде башни высотой не менее 200 м с окнами воздухозабора, размещенными по высоте башни, при этом теплообменное устройство для охлаждения сжатого воздуха является конденсатором, который связан с каплеуловителем, причем оба они установлены с возможностью сброса конденсата в бассейн первичного конденсата, а турбодетандер соединен с водяной камерой, снабженной оросителем, связанной с бассейном вторичного конденсата и теплообменником оборотной воды, который соединен с ядерной энергетической установкой.

Также согласно предложению окна воздухозабора снабжены жалюзи, установленными с возможностью их открытия или закрытия, конденсатор соединен с насосной станцией морской воды, бассейн вторичного конденсата соединен с насосной станцией пресной воды, которая снабжена трубопроводом подачи пресной воды на континент, а водяная камера соединена с ядерной энергетической установкой воздуховодом холодного воздуха.

Заявляемый атомно-энергетический комплекс имеет систему отбора первичного конденсата, пригодного для использования в сельском хозяйстве и обводнения аридных территорий, снабжен каплеуловителем примесей, что позволяет после вымораживания в турбодетандере получить фактически ледниковую воду.

За счет того, что охлаждение сжатого воздуха осуществляется в конденсаторе холодной морской водой одномоментно во всем объеме, а расплавление снега и льда происходит в водяной камере быстро и непрерывно при помощи их орошения теплой оборотной водой, процесс получения пресной воды является непрерывным.

За счет использования в составе комплекса автономных ядерных энергетических установок электрические и тепловые потребности комплекса могут быть обеспечены на протяжении пяти лет без перезагрузки топлива и до тридцати лет с заменой топлива.

Количество энергоблоков может быть различным: два и более в зависимости от потребности региона в пресной воде.

Сущность предложения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлен атомно-энергетический комплекс.

На чертеже использованы следующие позиции: 1 - ядерная энергетическая установка; 2 - корпус башни воздухозабора; 3 - окна воздухозабора; 4 - компрессоры; 5 - напорный воздуховод; 6 - конденсатор; 7 - насосная станция морской воды; 8 - бассейн первичного конденсата; 9 - каплеуловитель; 10 - турбодетандер; 11 - генератор электрического тока; 12 - водяная камера; 13 - ороситель; 14 - теплообменник оборотной воды; 15 - бассейн вторичного конденсата; 16 - насосная станция пресной воды; 17 - воздуховод холодного воздуха; 18 - трубопроводы подачи пресной воды на континент.

Следует учесть, что на чертеже представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.

Заявляемый атомно-энергетический комплекс предназначен для получения пресноводного конденсата из атмосферной влаги морей и в нашем примере конкретного выполнения является автономным, стационарным комплексом островного (полуостровного) базирования.

В ряде стран, граничащих с морями, имеется круглогодичный (кроме зимы) недостаток пресной воды для питья и ведения сельского хозяйства. Как правило, эти страны обременены аридными территориями, пустынями.

В то же время акватория морей является неиссякаемым источником пресноводной атмосферной влаги, при этом влагосодержание воздуха составляет 3-30 г/м³.

Атомно-энергетический комплекс включает ядерную энергетическую установку 1 (далее - ЯЭУ) малой или средней мощности. В нашем примере комплекс содержит два энергоблока мощностью по 100 МВт каждый.

Комплекс также включает башню воздухозабора, которая содержит вертикальный цилиндрический железобетонный корпус 2 высотой 200 м и диаметром 100 м.

По высоте башни в корпусе 2 выполнены ряды окон воздухозабора 3 для забора воздуха с разной высоты в зависимости от погодных условий. Окна воздухозабора 3 снабжены жалюзи, установленными с возможностью их открытия или закрытия оператором.

Внутри башни в нижней части корпуса 2 установлены компрессоры 4 для сжатия и нагнетания воздуха в напорный воздуховод 5 под давлением 2-4 атм.

Напорный воздуховод 5 соединен с конденсатором 6, который также связан с насосной станцией 7, предназначенной для подачи в него придонной морской воды и с бассейном первичного конденсата 8.

Комплекс также содержит каплеуловитель 9, который по воде соединен с бассейном 8, а по воздуху связан с конденсатором 6 и турбодетандером 10.

Турбодетандер 10 соосно объединен с генератором электрического тока 11 и предназначен для утилизации тепловой энергии сжатого воздуха и возврата в энергосистему комплекса энергозатрат на вращение компрессоров 4, а также для вымораживания из воздуха остаточной атмосферной влаги.

Комплекс также содержит водяную камеру 12, внутри которой размещен ороситель 13, предназначенный для орошения продуктов вымораживания (снега, микрочастиц льда), их осаждения и частичного расплавления, при этом водяная камера 12 по воздуху связана с турбодетандером 10 и ЯЭУ 1, а по воде - с теплообменником 14 и бассейном вторичного конденсата 15.

Теплообменник оборотной воды 14 предназначен для подогрева оборотной воды отводом пара от турбин энергоблоков, а бассейн вторичного конденсата 15 - для накопления и расплавления продуктов вымораживания.

Бассейн вторичного конденсата 15 соединен с насосной станцией пресной воды 16, которая предназначена для подачи воды из бассейна первичного конденсата 8 и бассейна вторичного конденсата 15 на континент.

Насосная станция пресной воды 16 также связана с теплообменником 14 для подачи в него оборотной пресной воды.

Комплекс снабжен воздуховодом холодного воздуха 17, который связан с водяной камерой 12 и ЯЭУ 1 и предназначен для утилизации холодного воздуха на нужды комплекса.

Комплекс также снабжен трубопроводом 18 подачи пресной воды на континент.

Атомно-энергетический комплекс работает следующим образом.

ЯЭУ 1 в условиях автономности обеспечивают электроэнергией и теплом нужды комплекса.

Влажный морской воздух поступает в башню воздухозабора избирательно через окна водозабора 3 на всасывающие патрубки компрессоров 4. Забор воздуха осуществляется избирательно по критерию наибольшего влагосодержания и минимальной загрязненности солями, другими примесями.

Затем через напорный воздуховод 5 сжатый воздух из компрессоров 4 поступает в конденсатор 6, который охлаждается придонной морской водой, подаваемой береговой насосной станцией 7. В конденсаторе 6 происходит извлечение атмосферной влаги из сжатого воздуха при достижении точки росы. При этом воздух охлаждается до температуры +10 ÷ +12°С, что существенно ниже точки росы исходного воздуха.

Таким образом, в конденсаторе 6 происходит основное (первичное) извлечение (более 50%) атмосферной влаги из сжатого воздуха.

Затем полученный первичный конденсат поступает в бассейн 8.

Первичный конденсат атмосферной влаги в качестве аналога дождевой воде по химическому и изотопному составу направляется в природную водную инфраструктуры (озера, болота) аридной территории, где отстаивается, подвергается естественной минерализации, насыщению кислородом и т.п., используется для водоразбора на сельскохозяйственные нужды и употребления наравне с речной водой.

Очистка воздуха после конденсатора 6 от унесенных воздухом капель воды и возможных жидких примесей (солесодержащая влага и т.п.) осуществляется в каплеуловителе 9, после чего выделенная влага (чистая вода) поступает в бассейн 8, а очищенный воздух - в турбодетандер 10 для извлечения оставшейся влаги.

В турбодетандере 10 происходит адиабатическое расширение сжатого воздуха, выделенная энергия возвращается в энергосистему комплекса через генератор электрического тока 11.

В турбодетандере 10 также происходит переохлаждение проходящего воздуха до температуры ниже -10°С, приводящее к вымораживанию остаточной атмосферной влаги.

Генератор электрического тока 11 компенсирует основные энергозатраты на электропитание компрессоров 4, обеспечивая энергоэффективность комплекса в целом.

После турбодетандера 10 смесь снега, микрочастиц льда и холодного воздуха при атмосферном давлении поступает в водяную камеру 12.

В водяной камере 12 при помощи оросителя 13 происходит орошение снега и льда пресной оборотной водой, нагретой в теплообменнике 14, при этом осуществляется улавливание, осаждение и частичное расплавление продуктов вымораживания. Полученная водно-ледяная смесь поступает в открытый бассейн вторичного конденсата 15 для накопления и расплавления теплом окружающего воздуха.

Вторичный конденсат, испытавший дополнительно криогенную дистилляцию с переходом в твердую фазу, является химически- и структурно-тождественным аналогом воде ледникового происхождения, может использоваться без ограничений в системах водоснабжения населенных пунктов.

Оборотная вода в теплообменник 14 подается через насосную станцию пресной воды 16 из бассейна первичного конденсата 8 и бассейна вторичного конденсата 15.

После чего основной продукт - высокочистая пресная вода дождевого качества - передается из бассейна первичного конденсата 8 и бассейна вторичного конденсата 15 по трубопроводам 18 на континент, например в водную инфраструктуру аридной территории, сельскохозяйственные угодья, систему водообеспечения населенных пунктов.

В результате работы комплекса также получают дополнительный продукт - высокочистый холодный воздух, который через воздуховод холодного воздуха 17 направляется в системы охлаждения и кондиционирования ЯЭУ 1 и жилых зданий тропического острова.

Заявляемое предложение обладает следующими преимуществами.

Изобретение позволяет получить высокочистую пресную воду дождевого качества в промышленных объемах от 1-10 т воды в секунду, достаточных даже для реанимации водной инфраструктуры аридных территорий. Производительность данного комплекса составляет до 2 т воды в секунду.

Поскольку вода, прошедшая природное испарение (водяной пар) под воздействием солнца и испытавшее переход в твердое состояние (снег, лед) подобно трансформации в облаках, имеет химический, изотопный состав и структуру дождевой (снеговой, ледовой) воды, она полностью пригодна для использования в сельском хозяйстве и употребления человеком наравне с водой ледникового происхождения.

Высота башни (не менее 200 м), наличие окон забора воздуха с управляемыми жалюзи позволяет избирательно производить забор морского воздуха по критерию наибольшего влагосодержания и минимальной загрязненности солями, другими примесями.

Комплекс не требует (в отличие от известных способов фильтрации, обратного осмоса, химической обработки морской воды, испарения нагревом с последующей конденсацией и т.п.) систематического применения расходных материалов (фильтров, химикатов) и периодической дорогостоящей замены или ремонта оборудования и трубопроводов, так как не сопровождается коррозией металла.

Вследствие использования в комплексе турбодетандеров процесс получения воды является энергоэкономичным и непрерывным.

Дополнительно непрерывно производится большой объем (до 200 тыс. кубометров в секунду) холодного воздуха, необходимого для создания климатического комфорта в помещениях, а также для охлаждения оборудования, минимизируя энерготраты на холодильные системы и системы кондиционирования атомно-энергетического комплекса.

Наличие ЯЭУ позволяет длительно (до 30 лет) и непрерывно обеспечивать заданную территорию пресной водой дождевого качества.

Из изложенного следует, что заявляемая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, а именно долговременно обеспечить непрерывный процесс получения в промышленных объемах от 1-10 т/с, высокочистой воды, аналогичной по составу и происхождению дождевой воде.

Предложение может найти применение: побережья аридных территорий Австралии, Ирана, Индии, прибрежные пустыни стран Ближнего востока и Аравийского полуострова, Южной Африки, прибрежные зоны пустыни Сахара, также пустыни Северной и Южной Америк, территория стран юга Европы, Казахстан, Туркмения.

Изобретение относится к области атомной энергетики. Комплекс включает средство для забора воздуха, компрессор, соединенный с теплообменным устройством для охлаждения сжатого воздуха, турбодетандер, средства для транспортировки воды и воздуха с арматурой. Комплекс снабжен ядерной энергетической установкой. Средство для забора воздуха выполнено в виде башни высотой не менее 200 м с окнами воздухозабора, размещенными по высоте башни. Теплообменное устройство для охлаждения сжатого воздуха является конденсатором, который связан с каплеуловителем, причем оба они установлены с возможностью сброса конденсата в бассейн первичного конденсата. Турбодетандер соединен с водяной камерой, снабженной оросителем, связанной с бассейном вторичного конденсата и теплообменником оборотной воды, который соединен с ядерной энергетической установкой. Технический результат: повышение эффективности работы. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Атомно-энергетический комплекс, предназначенный преимущественно для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из атмосферного воздуха, включающий средство для забора воздуха, компрессор, соединенный с теплообменным устройством для охлаждения сжатого воздуха, турбодетандер, средства для транспортировки воды и воздуха с арматурой, отличающийся тем, что он снабжен ядерной энергетической установкой, средство для забора воздуха выполнено в виде башни высотой не менее 200 м с окнами воздухозабора, размещенными по высоте башни, при этом теплообменное устройство для охлаждения сжатого воздуха является конденсатором, который связан с каплеуловителем, причем оба они установлены с возможностью сброса конденсата в бассейн первичного конденсата, а турбодетандер соединен с водяной камерой, снабженной оросителем, связанной с бассейном вторичного конденсата и теплообменником оборотной воды, который соединен с ядерной энергетической установкой.

2. Атомно-энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что окна воздухозабора снабжены жалюзи, установленными с возможностью их открытия или закрытия.

3. Атомно-энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что конденсатор соединен с насосной станцией морской воды.

4. Атомно-энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что бассейн вторичного конденсата соединен с насосной станцией пресной воды, которая снабжена трубопроводом подачи пресной воды на континент.

5. Атомно-энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что водяная камера соединена с ядерной энергетической установкой воздуховодом холодного воздуха.