УВЛАЖНИТЕЛЬНО-ОСУШИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ПАРОВОЙ КОНДЕНСАТОР СМЕШИВАНИЯ С ПУЗЫРЬКОВОЙ КОЛОННОЙ Российский патент 2015 года по МПК C02F1/04 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В этом веке нехватка пресной воды для человечества станет более острой глобальной проблемой, чем нехватка энергии, и эти два вызова тесно связаны, как объясняется в ″Специальном отчете о воде″ в журнале The Economist от 20 мая 2010 года. Пресная вода является одной из самых основных потребностей людей и других организмов; каждому человеку необходимо потреблять минимум около двух литров в день. Мир также испытывает все большие потребности в пресной воде со стороны сельскохозяйственных и промышленных процессов.

Риски, порождаемые недостаточным снабжением водой, являются особо острыми. Нехватка пресной воды может приводить к разнообразным кризисам, включая голод, болезни, смерть, вынужденную массовую миграцию, межрегиональные конфликты/войны и коллапс экосистем. Несмотря на критичность потребности в пресной воде и острые последствия ее нехватки, поставки пресной воды крайне ограничены. 97,5% воды на Земле является соленой, и около 70% остальной замкнуто во льдах (преимущественно в ледниковом покрове и ледниках), оставляя в качестве доступной пресной (несоленой) воды лишь часть всей воды на Земле.

Более того, земная вода, которая является пресной и доступной, распределена неравномерно. Например, густонаселенные страны, такие как Индия и Китай, обладают многими регионами, которые страдают от недостатка снабжения. Кроме того, снабжение пресной водой часто непоследовательно по сезонам. А тем временем потребности в пресной воде увеличиваются по всему миру. Водоемы высыхают; водоносные пласты опускаются; реки пересыхают, а ледниковый покров и ледники сокращаются. Растущее население увеличивает потребности, как и преобразования в сельском хозяйстве, а также растущая индустриализация. Изменения климата выдвигают еще больше угроз во многих регионах. Следовательно, число людей, сталкивающихся с нехваткой воды, увеличивается. Однако пресная вода, возникающая естественным путем, как правило, ограничивается региональными сточными бассейнами, а транспортировка воды является дорогой и энергоемкой.

С другой стороны, многие существующие процессы для производства пресной воды из морской (или, в меньшей степени, из солоноватой воды) требуют колоссальных объемов энергии. Обратный осмос (ОО) в настоящее время является передовой технологией опреснения. На крупных установках требующаяся конкретная электроэнергия может составлять всего 4 кВт ч/м³ при 30% восстановлении по сравнению с теоретическим минимумом, составляющим около 1 кВт ч/м³; менее масштабные установки ОО (например, палубные) являются менее эффективными.

Другие существующие системы по опреснению морской воды включают многоэтапное быстродействующее опреснение (МБО) на основе тепловой энергии и многоступенчатое опреснение (МСО), которые оба являются энергоемкими и капиталоемкими процессами. В МБО и МСО системах, однако, максимальная температура рассола и максимальная температура подвода тепла ограничиваются, чтобы избежать осаждения сульфата кальция, который приводит к образованию твердой накипи на оборудовании теплопередачи.

Увлажнительно-осушительные (УО) системы опреснения содержат в качестве своих основных компонентов увлажнитель и осушитель и используют газ-носитель (например, воздух), чтобы переносить энергию между источником тепла и рассолом. В увлажнителе горячая морская вода входит в прямой контакт с сухим воздухом, и этот воздух становится нагретым и увлажненным. В осушителе нагретый и увлажненный воздух вводится в (непрямой) контакт с холодной морской водой и становится осушенным, производя чистую воду и осушенный воздух. Некоторые настоящие изобретатели также были изобретателями следующих патентных заявок, которые включают дополнительное обсуждение, касающееся УО процессов по очистке воды: заявка США под регистрационным номером 12/554726, поданная 4 сентября 2009 (номер дела патентного поверенного mit-13607); заявка США под регистрационным номером 12/573221, поданная 5 октября 2009 (номер дела патентного поверенного mit-13622); и заявка США под регистрационным номером 13/028170, поданная 15 февраля 2011 (номер дела патентного поверенного mit-14295).

Подход, разработанный в университете штата Флорида, который описан в патенте США №6919000 В2, сократил тепловое сопротивление, связанное с неконденсируемыми газами, путем использования конденсатора прямого контакта вместо стандартного осушителя непрямого контакта. Этот способ увеличивает скорости теплопередачи в конденсаторе за счет энергоэффективности, поскольку энергия из влажного воздуха, входящего в осушитель, для предварительного нагрева морской воды извлекается непрямым способом. Таким образом, хотя стоимость осушительного устройства сокращается, затраты на энергию увеличиваются.

СУТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложена увлажнительно-осушительная система, содержащая:

источник жидкости, содержащий испаряемый компонент; увлажнитель, содержащий входное отверстие для газа-носителя и выходное отверстие для газа-носителя; входное отверстие для жидкости и выходное отверстие для жидкости, при этом входное отверстие для жидкости соединено с источником жидкости; и камеру, в которой жидкость, вводимая из входного отверстия для жидкости, может контактировать с газом-носителем, содержащим конденсируемую текучую среду в паровой фазе, вводимым из входного отверстия для газа-носителя в направлении противотока, и в которой часть жидкости может испаряться в газ-носитель;

паровой конденсатор смешивания с пузырьковой колонной, содержащий по меньшей мере первую ступень и вторую ступень, причем каждая ступень содержит входное отверстие для газа-носителя, выходное отверстие для газа-носителя и камеру, приспособленную содержать жидкую ванну в гидравлическом соединении с входным отверстием для газа-носителя и выходным отверстием для газа-носителя, при этом входное отверстие для газа-носителя первой ступени находится в гидравлическом соединении с выходным отверстием для газа-носителя увлажнителя, при этом выходное отверстие для газа-носителя первой ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием для газа-носителя второй ступени, и при этом выходное отверстие для газа-носителя второй ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием газа-носителя увлажнителя, для способствования протеканию газа-носителя из увлажнителя через камеру первой ступени и затем через камеру второй ступени до возврата в увлажнитель;

трубопровод, проходящий от источника жидкости через камеру каждой ступени конденсатора с пузырьковой колонной, для восстановления энергии из конденсации; и

промежуточный обменный трубопровод, соединенный с (а) трубопроводом между первой ступенью и второй ступенью парового конденсатора смешивания с пузырьковой колонной и (b) камерой увлажнителя на промежуточной ступени для передачи жидкости между ними.

При этом увлажнительно-осушительная система может дополнительно содержать ванну испаряемого компонента жидкости в жидкой фазе, заполняющей камеры первой и второй ступеней конденсатора с пузырьковой колонной.

В данном документе описываются одноступенчатые и многоступенчатые паровые конденсаторы смешивания с пузырьковой колонной (называемые для простоты в других местах этого документа конденсатором) и их работа. Различные варианты осуществления устройства и способов могут включать некоторые или все элементы, признаки и этапы, описанные ниже.

В многоступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной источник текучей среды подает поток газа-носителя, содержащий конденсируемую текучую среду. Многоступенчатый конденсатор содержит по меньшей мере первую ступень и вторую ступень, каждая из которых содержит входное отверстие, выходное отверстие и камеру, находящуюся в гидравлическом соединении с входным отверстием и выходным отверстием. Входное отверстие первой ступени конденсатора с пузырьковой колонной соединено с источником текучей среды, а выходное отверстие первой ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием второй ступени, чтобы облегчать течение потока газа-носителя из источника текучей среды через камеру первой ступени и затем через камеру второй ступени. Конденсируемая текучая среда в жидкой фазе заполняет камеры первой ступени и второй ступени, так что поток газа-носителя проходит в прямом контакте с жидкостью, которая неподвижна или находится в противотоке потоку газа-носителя, при прохождении из входного отверстия в выходное отверстие каждой ступени.

Устройство и способы могут использоваться, чтобы отделять чистую воду от жидкой смеси (включающей, без ограничения, морскую воду, солоноватую воду и сточную воду) экономически эффективным образом, который может привести к существенно меньшим затратам по сравнению с предыдущими подходами. Варианты осуществления устройства и способов могут предложить многочисленные преимущества. Во-первых, на основании данных для пузырьковых колонн, представленных в доступной литературе, коэффициент теплопередачи в многоступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной оценивается величиной 7 кВт/м² К (т.е. по меньшей мере на один порядок величины больше, чем величина из имеющегося уровня техники). Этот коэффициент теплопередачи сравним с, если не превышает, пленочной конденсацией пара. Во-вторых, высокое восстановление энергии может поддерживаться с использованием новой многоступенчатой техники. В-третьих, в устройстве и способах может использоваться множественное извлечение, чтобы дополнительно увеличивать восстановление тепла. В-четвертых, полная стоимость системы сокращается, поскольку сокращаются как затраты на энергию, так и затраты на оборудование.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 представляет собой изображение в разрезе одноступенчатого конденсатора с пузырьковой колонной.

Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления увлажнительно-осушительной системы очистки воды, содержащей многоступенчатый конденсатор с пузырьковой колонной.

Фиг. 3 представляет собой график температурного профиля на колоннах в многоступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной от верха пузырьковых колонн.

Фиг. 4 представляет собой график температурного профиля в одноступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной от верха пузырьковой колонны.

Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления увлажнительно-осушительной системы очистки воды с множественным извлечением, содержащей многоступенчатый конденсатор с пузырьковой колонной.

На сопутствующих графических материалах подобные ссылочные позиции относятся к одним и тем же или похожим частям на всех разных изображениях, а апострофы используются, чтобы отличать множество экземпляров одних и тех же или похожих элементов, разделяющих одну и ту же ссылочную позицию. Графические изображения не обязательно приведены в масштабе, вместо этого акцент делается на представлении конкретных принципов, описанных ниже.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Описанные выше и другие признаки и преимущества разнообразных особенностей изобретения(-ий) будут понятны из следующего более конкретного описания различных концепций и характерных вариантов осуществления в рамках более широких границ изобретения(-ий). Различные особенности объекта изобретения, представленные выше и более подробно обсуждаемые ниже, могут быть осуществлены любым из множества способов, поскольку объект изобретения не ограничивается каким-либо конкретным способом осуществления. Примеры конкретных реализаций и применений предоставляются в первую очередь с иллюстративной целью.

Если в данном документе не определено, не используется или не характеризуется иное, термины, которые используются здесь (включая технические и научные термины), необходимо интерпретировать как имеющие значение, которое соответствует их принятому значению в контексте соответствующей области техники, и не следует интерпретировать в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если только это явно не определено в данном документе. Например, если идет ссылка на конкретную композицию, композиция может быть в значительной мере, хотя и не идеально, чистой, поскольку могут иметь место практические и несовершенные обстоятельства реального мира; например, потенциальное присутствие по меньшей мере остаточных примесей (например, менее 1 или 2% по весу или объему) может пониматься как находящееся в рамках объема описания; аналогично, если идет ссылка на конкретную форму, подразумевается, что эта форма включает несовершенные отклонения от идеальных форм, например, вследствие допусков обработки.

Хотя термины ″первый″, ″второй″, ″третий″ и т.п. могут использоваться в данном документе, чтобы описывать разнообразные элементы, эти элементы не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины просто используются, чтобы отличать один элемент от другого. Таким образом, первый элемент, обсуждаемый ниже, может быть назван вторым элементом без отхода от идей показательных вариантов осуществления.

Пространственно относительные термины, такие как ″выше″, ″ниже″, ″левый″, ″правый″, ″впереди″, ″сзади″ и т.п., могут использоваться в данном документе для легкости описания, чтобы описывать отношение одного элемента к другому элементу, как представлено на фигурах. Будет понятно, что пространственно относительные термины, а также представленные конфигурации предназначены охватывать различные ориентации устройства при использовании или работе в дополнение к ориентациям, описанным в данном документе и представленным на фигурах. Например, если устройство на фигурах перевернуто, элементы, описанные как находящиеся ″ниже″ или ″под″ другими элементами или признаками, тогда будут ориентированы ″над″ другими элементами или признаками. Таким образом, показательный термин ″над″ может охватывать ориентации как над, так и под. Устройство может быть ориентировано иным образом (например, повернуто на 90 градусов или в других ориентациях), и пространственно относительные описания, использованные в данном документе, интерпретируются соответственно.

Более того, в этом описании, когда элемент описывается как находящийся ″на″, ″подключенный к″ или ″соединенный с″ другим элементом, он может находиться непосредственно на, подключен к или соединен с другим элементом или могут присутствовать промежуточные элементы, если не определено иного.

Терминология, используемая в данном документе, имеет целью описание конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения показательных вариантов осуществления. Как используются в данном документе, формы единственного числа подразумеваются включающими также формы множественного числа, если только контекст не указывает иное. Дополнительно, термины ″включает″, ″включающий″, ″содержит″ и ″содержащий″ определяют наличие заявленных элементов или этапов, но не исключают наличия или добавления одного или более других элементов или этапов.

Наличие неконденсируемых газов может крайне увеличить термическое сопротивление, связанное с пленочной конденсацией пара на холодной поверхности. Для типичной молярной доли (около 70%) воздуха (неконденсируемый газ), присутствующей в осушителе (конденсаторе) увлажнительно-осушительной системы, коэффициент теплопередачи может составлять всего лишь 1/100 этого коэффициента для чистой паровой конденсации (в системах многоступенчатого опреснения и многоэтапного быстродействующего опреснения). В абсолютном значении коэффициент теплопередачи может составлять всего 10 Вт/м² К. Следовательно, преимуществом является сокращение термического сопротивления, связанного с неконденсируемым газом, с одновременным сохранением преимущественного увеличения по энергоэффективности, обеспечиваемого способами, описанными в предыдущих патентных заявках изобретателей, указанных в предпосылках к изобретению.

Изображение в сечении варианта осуществления одноступенчатого конденсатора 12 с пузырьковой колонной представлено на фиг. 1. Пузырьковая колонна 14 содержит ванну с жидкостью 15 (например, в этом варианте осуществления с дистиллированной водой). Жидкость 15 поддерживается на пузырьковом генераторе 44 внутри камеры пузырьковой колонны. Газовые камеры 17 и 19 соответственно располагаются под и над жидкостью. Камера 17 под жидкостью позволяет закачивать влажный газ-носитель из трубопровода 32′ посредством компрессора/нагнетателя 34 через отверстия в пузырьковом генераторе 44 в жидкость 15 в виде пузырьков 21, хотя нижнюю камеру 17 можно опустить, где пузырьковый генератор 44 содержит сеть перфорированных труб, через которые закачивается газ-носитель. Трубчатый змеевик 20, который соединен с источником текучей среды (например, морской воды), извивается через воду 15 в конденсаторе 12, обеспечивая передачу тепла от воды 15 в камере к морской воде, направляемой через трубчатый змеевик 20. Соответственно, холодная текучая среда входит в трубчатый змеевик 20 внизу слева и выходит как нагретая текучая среда вверху справа. После прохождения через жидкость 15 сухой газ-носитель собирается в газовой камере 19 сверху камеры и извлекается через газопровод 32″.

Пузырьковый генератор 44 может иметь диаметр, например, 1,25 м и может иметь множество отверстий, каждое из которых имеет диаметр, например, 1 мм для создания пузырьков примерно одинакового диаметра. Пузырьковый генератор 44 может иметь форму, например, ситчатой пластинки, причем газ-носитель прокачивается через отверстия в ситчатой пластинке. В другом случае пузырьковый генератор 44 может иметь форму распределителя с перфорированными трубами для распределения газа-носителя, причем распределитель распределяет пузырьки через перфорированные трубы, которые могут отходить от центрального трубопровода. Перфорированные трубы в распределителе могут отличаться, например, радиальной, множественно-концентрично-кольцевой, паутинной или веерной, подобной колесу конфигурацией перфорированных труб, через которые газ-носитель прокачивается из внешнего источника.

Все компоненты пузырьковой колонны (например, все стенки и пузырьковый генератор) могут быть ориентированы под углом к вертикали α от 0° до 60° относительно вертикали (например, относительно оси вдоль радиана, проходящего через центр земли). Когда пузырьковая колонна 14 ориентирована под углом, гидростатический напор сокращается с ρgH до ρgH-(cos α), где ρ - это плотность (кг/м³), g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²), a Н - это высота жидкости в колонне. Это сокращение гидростатического напора идет с сокращением в падении давления текучей среды до 50%. Это падение давления, однако, идет с сокращением в коэффициенте теплопередачи на стороне текучей среды под большими углами (α>45°). Это объясняется тем, что при больших углах циркуляция жидкости не устанавливается регулярным образом. Однако для оптимизированной конструкции угловая конфигурация с меньшим падением давления может обеспечивать существенную экономию затрат энергии.

Один вариант осуществления многоступенчатого конденсатора с пузырьковой колонной в увлажнительно-осушительной (УО) системе 10 очистки воды представлен на фиг. 2, где осушитель представляет собой многоступенчатый паровой конденсатор смешивания с пузырьковой колонной (также называемый ″барботер″) 12 вместо использования теплообменника с непрямым контактом (как обычно используется в традиционных УО системах), чтобы осушать влажный газ-носитель (например, влажный воздух) и эффективно производить жидкую пресную воду. Газ-носитель увлажняется выпаренной водой из жидкой композиции (например, морской воды или сточной воды) в увлажнителе 24; и водяной пар, увлеченный в газ-носитель, затем транспортируется через трубопровод 32′ в конденсатор 12 с пузырьковой колонной, где вода во влажном воздухе конденсируется, чтобы производить пресную (т.е. в значительной мере чистую) воду.

Жидкая композиция (например, морская вода) подается из источника 16 (например, резервуара) и проводится через систему насосом 36, который может устанавливаться в трубопроводе 18 между источником 16 и конденсатором 12 с пузырьковой колонной. Жидкая композиция проводится через каждую ступень 14 конденсатора 12 по внутренним трубопроводам 20, установленным на каждой ступени 14, причем конструкция каждой ступени 14 может в значительной мере совпадать с конструкцией одноступенчатой пузырьковой колонны, представленной на фиг. 1. В этом варианте осуществления жидкая композиция проводится между ступенями 14 через примыкающие внешние трубопроводы 18, чтобы предварительно нагревать жидкую композицию. Внутренние трубопроводы 20 могут иметь теплопроводящие поверхности (например, пластины) 23, выходящие из трубопроводов 20 (как представлено на фиг. 2), чтобы увеличивать теплопередачу от жидкости на ступенях 14 к жидкой композиции, проходящей через трубчатый змеевик 20. После выхода из внутреннего трубчатого змеевика 20 в нижней (первой) ступени 14′ конденсатора 12 с пузырьковой колонной жидкая композиция проходит через дополнительный трубопровод 18 в нагреватель 22 (например, солнечный нагреватель воды или источник вторичного тепла), который дополнительно нагревает жидкую композицию (например, до 80°С), до того как жидкая композиция проводится в увлажнитель 24 и разделяется, а также рассеивается через форсунку 26.

Внутри увлажнителя предоставляется уплотнительный материал 28 в форме, например, поливинилхлоридного (ПВХ) уплотнения, чтобы способствовать потоку газа и увеличивать площадь поверхности жидкости, которая находится в контакте с газом-носителем, чтобы увеличивать часть испаряемой жидкости, которая испаряется в газ-носитель. Корпус увлажнителя 24 (и осушителя 12, а также трубопроводов 18 и 32) может быть образован, например, из нержавеющей стали и является в значительной мере не пропускающим пар. В одном варианте осуществления увлажнитель 24 является в значительной мере цилиндрическим с высотой примерно 2,5 м и радиусом примерно 0,5 м.

Увлажнитель 24 и осушитель 12 оба имеют модульную конструкцию (т.е. каждый имеет форму отдельного и обособленного устройства) и в значительной мере теплоизолированы друг от друга. Описание увлажнителя 24 и осушителя 12 как являющихся ″в значительной мере теплоизолированными″ необходимо понимать как то, что они приспособлены для малой или отсутствующей прямой кондуктивной передачи тепловой энергии через устройство между увлажнителем 24 и осушителем 12, хотя это описание не препятствует массовому потоку, несущему тепловую энергию (посредством потока газа и/или жидкости) между камерами. Это описание ″значительной теплоизоляции″, таким образом, отличает устройство от, например, обеспаривающего устройства, которое содержит общую стенку теплопередачи между увлажнителем и осушителем. В устройстве этого описания изобретения увлажнителю 24 и осушителю 12 не нужно иметь никаких общих стенок, которые бы способствовали кондуктивной теплопередаче между ними.

Газ-носитель течет вверх через камеру, определенную увлажнителем 24, из отверстия трубопровода 32″″ в отверстие трубопровода 32′, где он выходит с более высоким содержанием испарившейся жидкости. Увлажнение газа-носителя достигается путем распыления жидкой композиции из одной или более форсунок 26 сверху увлажнителя 24 вниз через область, содержащую уплотнительный материал 28, где часть воды в жидкой композиции испаряется, тогда как неиспарившийся остаток жидкой композиции (например, рассол) течет вниз через сточную область к основанию камеры, определенной увлажнителем 24, где рассол отводится через трубопровод 18 в резервуар 30 сбора рассола. Между тем газ-носитель перемещается вверх через увлажнитель 24 и вводится в контакт с жидкой композицией, в частности в слое уплотнительного материала 28, чтобы увлажнять газ-носитель водяным паром, испарившимся из жидкой композиции. Газ-носитель может в результате этого насыщаться водяным паром до отвода из увлажнителя 24 через трубопровод 32′ и закачиваться через компрессор/нагнетатель 34 через входное отверстие первой ступени 14′ многоступенчатого конденсатора 12 с пузырьковой колонной. В конкретных вариантах осуществления нагреватель воздуха и/или воздушный компрессор, или тепловой паровой компрессор может быть установлен в трубопроводе 32′, чтобы нагревать и/или сжимать газ-носитель до того, как он закачивается в осушитель 12. Когда воздушный компрессор или тепловой паровой компрессор установлен в трубопроводе 32′, добавочный расширитель воздуха может быть установлен в трубопроводе 32″″, чтобы расширять газ-носитель, когда он передается обратно в увлажнитель 24. В других вариантах осуществления компрессор/нагнетатель 34 может быть расположен в трубопроводе 32″″, ведущем к увлажнителю 24, по эксплуатационным рассуждениям.

Поток морской воды через трубчатый змеевик 20 внутри осушителя 12 может гарантировать, что тепло непосредственно восстанавливается, чтобы предварительно нагревать жидкую композицию (например, в этом варианте осуществления морскую воду) во время процесса конденсации. Конденсатор 12 с пузырьковой колонной содержит множество ступеней 14, каждая из которых заполнена ванной жидкости (например, дистиллированной воды), через которую влажный горячий газ-носитель проводится с использованием компрессора/нагнетателя 34 и пузырькового генератора 44, который впрыскивает пузырьки газа (или через который пузырьки впрыскиваются) в ванну.

Горячий насыщенный водяным паром газ-носитель, испущенный из увлажнителя (испарителя) 24, проходит (например, при температуре 70°С) через трубопровод 32′, проходящий от верхней части увлажнителя 24, и пузырьками поднимается через каждую из ступеней 14 в осушителе 12, где газ-носитель охлаждается и осушается. Газ-носитель собирается в верхней части каждой ступени 14 и проводится из выходного отверстия наверху каждой ступени 14 через трубопровод 32″ в и через входное отверстие следующей ступени 14 и через пузырьковый генератор 44, который создает пузырьки газа-носителя, которые затем проходят через дистиллированную воду на ступени 14, и газ-носитель затем снова собирается в верхней части колонны. Этот процесс последовательно повторяется в каждой последующей колонне.

Низкое падение давления в настоящем осушителе 12 может поддерживать мощность накачки низкой, тем самым обеспечивая экономически рациональную систему. Этот акцент на поддержке низкой мощности накачки контрастирует со множеством пузырьковых колонн в химической промышленности, где первостепенной задачей является передача тепла и массы и где падение давления может не быть существенным проектным ограничением. Падение давления в пузырьковой камере на каждой ступени 14 происходит в значительной степени вследствие следующих трех факторов: (1) падения напора в пузырьковом генераторе 44, где создаются пузырьки, (2) трения между газом-носителем и дистиллированной водой, когда пузырьки поднимаются через жидкость, и (3) гидростатического напора. Поскольку гидростатический напор вносит самый большой вклад в общее падение давления на данной ступени 14, высота каждой ступени 14 (измеренная вертикально в направлении, представленном на графических материалах) преимущественно удерживается низкой. Чтобы получить падение давления ниже 1 кПа, например, общая высота всех ступеней 14 составляет менее примерно 1 м. Как правило, ограничение по высоте проявляет себя в форме пузырьковой колонны с малым соотношением сторон, где отношение высоты колонны к диаметру (в представленной ориентации измеряется горизонтально) составляет менее 1. В конкретных вариантах осуществления диаметр колонны составляет 0,5-1 м, тогда как высота колонны составляет 0,05-0,1 м (для соотношения сторон колонны около 0,1).

Температура газа-носителя может падать на по меньшей мере 5°C с каждой ступени 14 до следующей в увлажнителе 12, когда он охлаждается ванной жидкости на каждом этапе 14. Например, в трубопроводе 32″ из выходного отверстия первой ступени 14′ во входное отверстие второй ступени 14″ газ-носитель может иметь температуру, например, около 60°С, тогда как газ-носитель в трубопроводе 32″′ из выходного отверстия второй ступени 14″ во входное отверстие третьей ступени 14″′ может иметь уменьшенную температуру, например около 50°С. Когда газ-носитель выходит из конденсатора 12 с пузырьковой колонной через верхний трубопровод 32″″, газ-носитель по кругу возвращается в нижнюю часть увлажнителя 24 (с сокращенным содержанием испаряемой жидкости), его температура может быть еще более уменьшена до, например, примерно 30°С. В начальный краткий период во время запуска процесса водяной пар в горячем влажном газе-носителе переносит скрытое тепло в воду на каждой ступени 14 (в которой устанавливается естественный циркуляционный контур); и смешанная средняя температура водной ступени 14, в конце концов, достигается в устойчивом состоянии. Когда устойчивое состояние достигается, тепло конденсации прямо извлекается морской водой, которая посылается через змеевидную трубу 20. Таким образом, достигается прямое восстановление тепла.

Когда конденсированный пар является водой, осушение газа-носителя на каждой ступени 14 освобождает воду из газа-носителя в дистиллированную воду, через которую газ-носитель поднимается пузырьками. Вода отводится из каждой ступени 14 (эквивалентно увеличению воды, обеспечиваемому осушением газа-носителя) через трубопроводы 38 в сборный резервуар 40 чистой воды. В другом случае жидкость (например, вода) может извлекаться через трубопровод из ванны на третьей ступени 14″′ и передаваться на вторую ступень 14″ более низкой температуры и извлекаться через другой трубопровод из второй ступени 14″ и передаваться на первую ступень 14′ еще более низкой температуры, из которой она в итоге извлекается из многоступенчатого конденсатора 12 с пузырьковой колонной как продукт.

Хотя может использоваться одна ступень/колонна 14, использование множества ступеней в конденсаторе 12 с пузырьковой колонной поднимает температуру, до которой предварительно нагревается морская вода, до максимально возможной (которая является температурой входа газа-носителя). Эффекты такого разбиения на ступени можно ясно понять с помощью температурных профилей в многоступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной (представлены на фиг. 3) и в одноступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной (представлены на фиг. 4), где можно увидеть, что выходная температура морской воды является гораздо более высокой на графиках для многоступенчатого конденсатора с пузырьковой колонной, как представлено на фиг.3. Каждый из представленных горизонтальных сегментов 46 (~308 К), 48 (~318 К), 50 (~327 К), 52 (~335 К), 54 (~342 К), 56(~348 К) на фиг. 3 представляет температуру в соответствующей колонне/ступени 14 в шестиступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной, где горизонтальная ось графика представляет безразмерное расстояние от верха до низа конденсатора 12 с пузырьковой колонной (т.е. линия 46 отсчета представляет температуру самой верхней ступени 14). Диагональная прямая 58 представляет температуру морской воды по ходу течения через конденсатор 12 с пузырьковой колонной как функцию расстояния от верха конденсатора 12 с пузырьковой колонной. В то же время видно, что температура 60 в одноступенчатом конденсаторе с пузырьковой колонной (представлено на фиг. 4) в значительной мере постоянная (на 323 К) по всему конденсатору с пузырьковой колонной и примерно равна среднему от температур входного и выходного газа-носителя.

Многоступенчатый конденсатор 12 с пузырьковой колонной дополнительно представляет прямое преимущество возможности извлечения/впрыскивания морской воды из промежуточных ступеней с пузырьковой колонной посредством промежуточных обменных трубопроводов 42, как представлено на фиг. 5, где промежуточные обменные трубопроводы 42 соединены с конденсатором 12 с пузырьковой колонной между первой и второй ступенями 14′ и 14″ и между второй и третьей ступенями 14″ и 14″′ трехступенчатой конденсаторной системы с пузырьковой колонной. Соленая вода собирается в промежуточных лотках 43′ и 43″ на соответствующих промежуточных ступенях в камере увлажнителя 24 и впрыскивается во внешние трубопроводы 18, через которые морская вода течет между ступенями 14′ и 14″ и между ступенями 14″ и 14″′ соответственно. В других вариантах осуществления направление впрыскивания/извлечения может меняться на обратное (например, соленая вода может извлекаться из конденсатора 12 и впрыскиваться в увлажнитель 24) в зависимости от условий работы. Такие потоки извлечения могут позволять создание систем, являющихся термодинамически сбалансированными. В дополнительных вариантах осуществления влажный газ-носитель может извлекаться/впрыскиваться вместо извлечения/впрыскивания соленой воды. Благодаря более высоким коэффициентам теплопередачи в конденсаторе с пузырьковой колонной и более низкой разности температур устройство, описанное в данном документе (как представленное на фиг. 5), может обеспечивать превосходящую производительность в отношении его осушения и эффективности.

При описании вариантов осуществления специфическая терминология используется для ясности. С целью описания специфические термины предназначены по меньшей мере включать технические и функциональные эквиваленты, которые работают подобным образом, чтобы достигать подобного результата. Дополнительно, в некоторых случаях, когда конкретный вариант осуществления изобретения содержит множество системных элементов или этапов способа, эти элементы или этапы могут быть заменены одним элементом или этапом; аналогично, один элемент или этап может быть заменен множеством элементов или этапов, которые служат той же цели. Кроме того, когда параметры для различных признаков определяются в данном документе для вариантов осуществления изобретения, эти параметры могут настраиваться вверх или вниз на 1/100, 1/50, 1/20, 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 9/10, 19/20, 49/50, 99/100 и т.п. (или на множитель 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 20, 50, 100 и т.п.) или на их округленные приближения, если не определено иное. Кроме того, хотя это изобретение было показано и описано со ссылками на его конкретные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в нем могут быть сделаны разнообразные замены и изменения в форме и деталях, без отхода от объема изобретения (например, конденсированная жидкость может быть композицией, отличающейся от воды; в конденсаторе с пузырьковой колонной может использоваться больше или меньше ступеней; и конфигурация этих ступеней может легко изменяться). Более того, другие особенности, функции и преимущества также находятся в рамках объема изобретения; и все варианты осуществления изобретения не обязательно должны обладать всеми преимуществами или иметь все характерные признаки, описанные выше. Сверх того, этапы, элементы и признаки, обсуждаемые в данном документе в связи с одним вариантом осуществления, могут также использоваться совместно с другими вариантами осуществления. Содержимое ссылок, включая тексты ссылок, журнальные статьи, патенты, патентные заявки и т.п., цитируемые по всему тексту, таким образом включаются при помощи ссылки во всей своей полноте; и соответствующие компоненты, этапы и описания характеристик из этих ссылок необязательно могут включаться или не включаться в варианты осуществления этого изобретения. Более того, компоненты и этапы, определенные в разделе ″Предпосылки изобретения″, представляют собой цельную часть этого описания и могут использоваться совместно с или вместо компонентов и этапов, описанных в других местах в описании в пределах объема изобретения. В пунктах формулы изобретения, описывающих способ, где ступени перечисляются в конкретном порядке (с упорядоченными предварительными символами, добавленными для легкости ссылки, или без них), ступени не следует интерпретировать как являющиеся ограниченными во времени порядком, в котором они перечисляются, если только иное не определяется или не подразумевается условиями и формулировкой.

Изобретение предназначено для обработки воды. Увлажнительно-осушительная система содержит источник жидкости, содержащий испаряемый компонент; увлажнитель, содержащий отверстия для газа-носителя и жидкости; камеру, в которой жидкость, вводимая из входного отверстия для жидкости, контактирует с газом-носителем, содержащим конденсируемую текучую среду в паровой фазе, вводимым из входного отверстия для газа-носителя в направлении противотока, и в которой часть жидкости испаряется в газ-носитель; паровой конденсатор смешивания с пузырьковой колонной, содержащий по меньшей мере первую ступень и вторую ступень. Входное отверстие для газа-носителя первой ступени находится в гидравлическом соединении с выходным отверстием для газа-носителя увлажнителя. Выходное отверстие для газа-носителя первой ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием для газа-носителя второй ступени. Выходное отверстие для газа-носителя второй ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием газа-носителя увлажнителя. Технический результат: повышение экономической эффективности. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Увлажнительно-осушительная система, содержащая:
источник жидкости, содержащий испаряемый компонент; увлажнитель, содержащий входное отверстие для газа-носителя и выходное отверстие для газа-носителя; входное отверстие для жидкости и выходное отверстие для жидкости, при этом входное отверстие для жидкости соединено с источником жидкости; и камеру, в которой жидкость, вводимая из входного отверстия для жидкости, может контактировать с газом-носителем, содержащим конденсируемую текучую среду в паровой фазе, вводимым из входного отверстия для газа-носителя в направлении противотока, и в которой часть жидкости может испаряться в газ-носитель;
паровой конденсатор смешивания с пузырьковой колонной, содержащий по меньшей мере первую ступень и вторую ступень, причем каждая ступень содержит входное отверстие для газа-носителя, выходное отверстие для газа-носителя и камеру, приспособленную содержать жидкую ванну в гидравлическом соединении с входным отверстием для газа-носителя и выходным отверстием для газа-носителя, при этом входное отверстие для газа-носителя первой ступени находится в гидравлическом соединении с выходным отверстием для газа-носителя увлажнителя, при этом выходное отверстие для газа-носителя первой ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием для газа-носителя второй ступени, и при этом выходное отверстие для газа-носителя второй ступени находится в гидравлическом соединении с входным отверстием газа-носителя увлажнителя, для способствования протеканию газа-носителя из увлажнителя через камеру первой ступени и затем через камеру второй ступени до возврата в увлажнитель;
трубопровод, проходящий от источника жидкости через камеру каждой ступени конденсатора с пузырьковой колонной, для восстановления энергии из конденсации; и
промежуточный обменный трубопровод, соединенный с (а) трубопроводом между первой ступенью и второй ступенью парового конденсатора смешивания с пузырьковой колонной и (b) камерой увлажнителя на промежуточной ступени для передачи жидкости между ними.

2. Увлажнительно-осушительная система по п. 1, дополнительно содержащая ванну испаряемого компонента жидкости в жидкой фазе, заполняющей камеры первой и второй ступеней конденсатора с пузырьковой колонной.

3. Увлажнительно-осушительная система по п. 2, дополнительно содержащая пузырьковый генератор, соединенный с входным отверстием каждой ступени, для создания пузырьков газа-носителя в жидкости.

4. Увлажнительно-осушительная система по п. 1, отличающаяся тем, что жидкость содержит воду.

5. Увлажнительно-осушительная система по п. 1, отличающаяся тем, что камера, приспособленная содержать жидкую ванну, имеет аспектное отношение величин высоты к диаметру меньше 1.

6. Увлажнительно-осушительная система по п. 1, отличающаяся тем, что камеры, приспособленные содержать жидкие ванны, расположены под углом к вертикали.

7. Увлажнительно-осушительная система по п. 1, дополнительно содержащая поверхности, проходящие из трубопровода, при этом поверхности выполнены с возможностью увеличивать скорость теплопередачи между трубопроводом и текучей средой.

8. Увлажнительно-осушительная система по п. 3, отличающаяся тем, что пузырьковый генератор выбран из (а) генератора в форме ситчатой пластинки и (b) генератора в форме распределителя с перфорированными трубами, имеющими радиальную, кольцевую, паутинную или подобную колесу конфигурацию.

9. Увлажнительно-осушительная система по п. 2, отличающаяся тем, что ванна на первой ступени по меньшей мере на 5°С теплее, чем ванна на второй ступени.