УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ ОГРАНИЧЕННОГО ДАВЛЕНИЕМ ОСМОСА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК F04B17/00 F15B15/18 F03G7/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области выработки электроэнергии посредством ограниченного давлением осмоса, управляемого потоком прямого осмоса через полупроницаемые мембраны от одного раствора подаваемого материала с низкой минерализацией к другому раствору подаваемого материала с более высокой минерализацией посредством разности осмотических давлений, определяющей давление в системе. Изобретение описывает устройство и способы выработки электроэнергии посредством ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре с высокой производительностью и без необходимости регенерации электроэнергии.

Уровень техники

Прямой осмос представляет собой самопроизвольное природное явление, включающее перенос воды через полупроницаемые мембраны от менее концентрированного к более концентрированному раствору; тогда как обратный осмос представляет собой противоположное явление, имеющее место при приложении достаточно высокого внешнего давления к более концентрированному раствору. Поток, проникающий через полупроницаемые мембраны при прямом осмосе, зависит от перепада осмотических давлений (далее Δπ) между растворами подаваемого материала с высокой минерализацией и с низкой минерализацией; тогда как при обратном осмосе поток зависит от результирующего рабочего давления или приложенного давления, меньшего Δπ.

Хотя коммерческие технологии на основе обратного осмоса доминируют в настоящее время на рынках опреснения воды по всему миру, применения прямого осмоса для выработки чистой электроэнергии отстают вследствие сложности достижения энергоэффективности и экономической жизнеспособности для таких технологий на основе ограниченного давлением осмоса. Новаторский вклад в области выработки электроэнергии на основе прямого осмоса был сделан Loeb и описан в патентах США №3906250 и №4193267 под названием «ограниченного давлением осмоса» (PRO). С тех пор относительно немного существенных работ было выполнено в этой области, среди которых следует отметить работы Jellinek в патенте США №3978344 по разработке системы на основе морской воды/пресной воды; Lmapi и др. в патенте США №7303674 по разработке системы для выработки значительного гидравлического давления, которое может быть использовано для выполнения обратного осмоса; Alstot и др. в патенте США №7329962 по разработке гидростатического генератора, управляемого жидкостями с высоким/низким уровнем минерализации; Robert Me Ginnis и др. в международной заявке № PCT/US 2007/023541 по разработке технологии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре, также содержащем «вытягивающий» раствор аммиака - двуокиси углерода; и Maher I. Kaleda в заявке на патент США 20Х1/0044824 А1 «Индуцированный симбиотический осмос для выработки электроэнергии на основе минерализации». Соответствующий вклад в псевдоосмотическую технологию выработки электроэнергии из источников с различной минерализацией без использования полупроницаемых мембран был описан Finley и др. в патентах США №6313545 и №6559554.

Первая и пока единственная работающая электростанция на основе ограниченного давлением осмоса была сдана в эксплуатацию несколько лет назад в Норвегии компанией Statkraft, причем эта электростанция работает на основе технологии, разработанной Thor Thorsen и Torleif Holt в патенте №31475B1. Эта электростанция использует океанскую воду и пресную речную воду, размещенные по обе стороны полупроницаемых мембран, и работает на основе ограниченного давлением осмоса в диапазоне 11-15 бар, причем 1/3 выходящего потока повышенного давления попадает на турбину для генерации электроэнергии, а 2/3 выходящего потока повышенного давления попадает в работающий под давлением теплообменник для поддержки давления питающей морской воды с минимальной потерей электроэнергии.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение описывает устройство и способы выработки номинальной электрической мощности посредством ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре от подаваемого материала с низкой минерализацией в присутствии рециркулируемого подаваемого материала с высокой минерализацией и осмоса через полупроницаемые мембраны в сосудах высокого давления (ниже эту конструкцию называют «модулем» независимо от количества сосудов), причем инфильтрация посредством прямого осмоса изнутри в направлении вовне указанных мембран создает поток находящихся под давлением разбавленных концентратов с высокой минерализацией, предназначенный для применений, связанных с выработкой электроэнергии. Устройство на основе ограниченного давлением осмоса по настоящему изобретению также содержит средства для рециркуляции по замкнутому контуру находящегося под давлением разбавленного концентрата с высокой минерализацией от выпускного(-ых) отверстия(-ий) до впускного(-ых) отверстия(-ий) модуля и проведения линии от указанного замкнутого контура к турбине, или вместо нее к гидравлическому двигателю, вместе с регулирующим расход клапаном (VFV) и средством измерения расхода, чтобы обеспечить возможность приведения в действие турбины (или гидравлического двигателя вместо нее) с фиксированным расходом и постоянной скоростью вращения для выработки электроэнергии с номинальной мощностью посредством одного или нескольких номинальных электрогенераторов с переменным и/или одновременным режимом приведения в действие через вал указанной турбины, или гидравлического двигателя вместо нее, в зависимости от давления, ясно показывающего на наличие крутящего момента на указанном вале турбины (или гидравлического двигателя вместо нее), во время процесса на основе ограниченного давлением осмоса.

Непрерывная выработка электроэнергии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре происходит согласно устройству и способу по настоящему изобретению посредством периодического взаимодействия одиночного бокового трубопровода с указанным замкнутым контуром, что обеспечивает возможность подачи раствора с высокой минерализацией во впускное(-ые) отверстие(-ия) модуля с одновременным удалением разбавленного раствора с высокой минерализацией из выпускного(-ых) отверстия(-ий). После замещения всего объема разбавленного раствора с высокой минерализацией в указанном модуле на свежий раствор с высокой минерализацией посредством указанного взаимодействия происходит выведение бокового трубопровода из взаимодействия с модулем, сброс давления в нем, его повторное заполнение посредством замены разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией, повышение давления в нем и сохранение в состоянии ожидания следующего взаимодействия с модулем. Во время указанного режима с выведением из взаимодействия бокового трубопровода подача в модуль представляет собой рециркулируемый в замкнутом контуре разбавленный раствор с высокой минерализацией.

Выработка электроэнергии в замкнутом контуре на основе ограниченного давлением осмоса происходит непрерывно при непрекращающейся подаче раствора с высокой минерализацией во впускное(-ые) отверстие(-ия) модуля с одновременным удалением разбавленного раствора с высокой минерализацией из выпускного(-ых) отверстия(-ий) согласно устройству и способу по настоящему изобретению, что может быть выполнено посредством поочередного взаимодействия двух боковых трубопроводов с указанным модулем, так что во время поддержания давления в одном боковом трубопроводе в состоянии взаимодействия с модулем другой выведенный из взаимодействия боковой трубопровод претерпевает сброс давления и замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией в состоянии ожидания следующего взаимодействия. Непрерывная подача раствора с высокой минерализацией во впускное(-ые) отверстие(-ия) модуля в указанном устройстве с двумя поочередно вводимыми во взаимодействие боковыми трубопроводами подразумевает выработку электроэнергии лишь одним устройством, то есть непрерывное использование лишь одного номинального электрогенератора.

Другие компоненты устройства по настоящему изобретению представляют собой низконапорный насос plsp с линейными и клапанными средствами, предназначенными для подачи раствора с низкой минерализацией во впускное(-ые) отверстие(-ия) модуля и выпуска концентрата с низкой минерализацией из выпускного отверстия(-ий); низконапорный насос phsf с линейными и клапанными средствами, предназначенными для замены разбавленного раствора с высокой минерализацией раствором с высокой минерализацией в выведенном из взаимодействия боковом трубопроводе со сброшенным давлением, и различные средства слежения за давлением, электропроводностью и величиной расхода, обеспечивающие возможность управления указанным устройством и слежения за его характеристиками.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически показано работающее в периодическом режиме устройство с одним модулем для выполнения операций на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре с одним электрогенератором для выработки электроэнергии номинальной мощности.

На фиг. 2 схематически показано работающее в периодическом режиме устройство с одним модулем для выполнения операций на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре с тремя электрогенераторами для выработки электроэнергии номинальной мощности.

На фиг. 3А схематически показано устройство с одним модулем и одним боковым трубопроводом для выполнения ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством непрерывного упорядоченного процесса выработки электроэнергии номинальной мощности, причем вышедший из взаимодействия боковой трубопровод со сброшенным давлением претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией свежим раствором с высокой минерализацией.

На фиг. 3B схематически показано устройство с одним модулем и одним боковым трубопроводом для выполнения ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством непрерывного упорядоченного процесса выработки электроэнергии номинальной мощности, причем вышедший из взаимодействия боковой трубопровод со сброшенным давлением, заполненный свежим раствором с высокой минерализацией, находится в состоянии ожидания взаимодействия с модулем для выполнения операций на основе ограниченного давлением осмоса.

На фиг. 3С схематически показано устройство с одним модулем и одним боковым трубопроводом для ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством непрерывного упорядоченного процесса выработки электроэнергии номинальной мощности, причем введенный во взаимодействие боковой трубопровод подает раствор с высокой минерализацией во впускное отверстие модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускного отверстия.

На фиг. 3D схематически показано устройство с одним модулем и одним боковым трубопроводом для ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством непрерывного упорядоченного процесса выработки электроэнергии номинальной мощности, причем вышедший из взаимодействия боковой трубопровод со сброшенным давлением ожидает замены разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией.

На фиг. 4 схематически показано устройство с тремя соединенными параллельно модулями и одним боковым трубопроводом для ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством непрерывного упорядоченного процесса выработки электроэнергии номинальной мощности, причем вышедший из взаимодействия боковой трубопровод со сброшенным давлением претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией свежим раствором с высокой минерализацией.

На фиг. 5А схематически показано устройство с одним модулем и двумя боковыми трубопроводами (первым и вторым) для непрерывной выработки электроэнергии номинальной мощности, причем модуль, питаемый посредством внутренней рециркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией, содержит один (первый) вышедший из взаимодействия боковой трубопровод, ожидающий взаимодействия, и другой (второй) вышедший из взаимодействия боковой трубопровод, претерпевающий замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией.

На фиг. 5B схематически показано устройство с одним модулем и двумя боковыми трубопроводами (первым и вторым) для непрерывной выработки электроэнергии номинальной мощности, причем введенный во взаимодействие (первый) боковой трубопровод подает раствор с высокой минерализацией во впускное отверстие модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускного отверстия, а вышедший из взаимодействия боковой трубопровод (второй) с находящимся под давлением раствором с высокой минерализацией ожидает взаимодействия.

На фиг. 5С схематически показано устройство с одним модулем и двумя боковыми трубопроводами (первым и вторым) для непрерывной выработки электроэнергии номинальной мощности, причем введенный во взаимодействие в порядке очереди (второй) боковой трубопровод подает раствор с высокой минерализацией во впускное отверстие модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускного отверстия, а вышедший из взаимодействия в порядке очереди боковой трубопровод (первый) претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией.

На фиг. 6А схематически показано устройство с тремя соединенными параллельно модулями и двумя боковыми трубопроводами (первым и вторым) для непрерывной выработки электроэнергии номинальной мощности, причем происходит питание модуля посредством внутренней рециркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией, один (первый) вышедший из взаимодействия боковой трубопровод ожидает взаимодействия, а другой (второй) вышедший из взаимодействия боковой трубопровод претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией.

На фиг. 6B схематически показано устройство с тремя соединенными параллельно модулями и двумя боковыми трубопроводами (первым и вторым) для непрерывной выработки электроэнергии номинальной мощности, причем введенный во взаимодействие (первый) боковой трубопровод подает раствор с высокой минерализацией во впускные отверстия модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускных отверстий, а вышедший из взаимодействия боковой трубопровод (второй) с находящимся под давлением раствором с высокой минерализацией ожидает взаимодействия.

На фиг. 6С схематически показано устройство с тремя соединенными параллельно модулями и двумя боковыми трубопроводами (первым и вторым) для непрерывной выработки электроэнергии номинальной мощности, причем введенный во взаимодействие в порядке очереди (второй) боковой трубопровод подает раствор с высокой минерализацией во впускные отверстия модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускных отверстий, а вышедший из взаимодействия в порядке очереди (первый) боковой трубопровод претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией.

Подробное описание изобретения

Развитие концепции настоящего изобретения начнем с устройства периодического действия, предназначенного для ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре, схематически показанном на фиг. 1 с модулем, содержащем две секции, разделенные (штриховая линия) полупроницаемыми мембранами, причем одна из секций предназначена для потока с низкой минерализацией (пунктирная линия) при низком давлении (<1,0 бара), а другая секция предназначена для рециркулирующего раствора с высокой минерализацией в замкнутом контуре (удвоенная линия) при высоком давлении. Впускные отверстия и выпускные отверстия, связанные с различными секциями указанного модуля, хорошо отличимы друг от друга по форме линий с указанием направления потока стрелками. Расход (Q_lsf) на впускном отверстии раствора с низкой минерализацией, который переходит в концентрат с низкой минерализацией в выпускном отверстии (расход Q_isc), управляем посредством низконапорного насоса (p_LSF), а расход (Q_cp) циркулирующего разбавленного раствора с высокой минерализацией управляем посредством циркуляционного насоса. Замкнутый контур содержит линию для циркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией от выпускного отверстия к впускному отверстию модуля и ответвительную линию, ведущую к турбине (или вместо нее к гидравлическому двигателю) и содержащую устройство измерения FMp расхода и клапанное средство регулирования расхода, что обеспечивает возможность приведения в действие с постоянной скоростью вращения (N) турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя) и, таким образом, выработки электроэнергии номинальной мощности присоединенным генератором. Приведение в действие с постоянной скоростью вращения указанной турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя) происходит посредством подачи постоянного потока находящегося под давлением разбавленного раствора с высокой минерализацией к указанной турбине (или, вместо нее, к гидравлическому двигателю) через указанный регулирующий расход клапан в ответ на управляющий сигнал от указанного устройства FMp измерения расхода или, в качестве альтернативы, в ответ на управляющий сигнал от упомянутого устройства N, измеряющего количество оборотов в минуту. Другие компоненты устройства в предпочтительном варианте реализации по фиг. 1 представляют собой устройство измерения FMcp расхода и устройство измерения электропроводности, размещенные в линии замкнутого контура, предназначенной для рециркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией, манометры на впускном отверстии (PMi) и выпускном отверстии (РМо) указанного модуля и управляемые двухходовые клапанные средства V1, V2 и V3, посредством которых происходит замена разбавленного раствора с высокой минерализацией на свежий раствор с высокой минерализацией по завершении периодического процесса.

До приведения в действие устройства в предпочтительном варианте реализации с конструкцией, показанной на фиг. 1, происходит заполнение обеих секций ((раствор с низкой минерализацией - концентрат с низкой минерализацией) и (раствор с высокой минерализацией - разбавленный раствор с высокой минерализацией)) свежими растворами через соответствующие клапанные средства, и затем имеет место процесс ограниченного давлением осмоса, инициированный управляемыми клапанами, установленными в следующие положения: VI [О], V2 [С], V3 [С] и VFV[0], причем «О» означает открытое положение и «С» означает закрытое положение. Подъем давления в указанном модуле указывает на разность осмотических давлений между этими двумя растворами подаваемого материала (Δп). Например, максимальную разность осмотических давлений (Δп), составляющую приблизительно 26 бар, следует ожидать в указанном модуле устройства по настоящему изобретению по фиг. 1 при использовании раствора с высокой минерализацией с концентрацией 35000 частей на миллион и раствора с низкой минерализацией с концентрацией 500 частей на миллион. Периодическая последовательность операций на основе ограниченного давлением осмоса, имеющая место в указанном устройстве по настоящему изобретению, происходит в условиях постоянных расходов, выбранных для раствора с низкой минерализацией (Q_isf), циркуляционного насоса (Q_cp) и для управляемой регулирующим расход клапаном системы, посредством чего происходит определение расхода проникновения (Q_p). Постоянный расход проникновения, управляемый системой с регулирующим расход клапаном, определяет средний расход прямого осмоса в указанном модуле, а также разность между расходом раствора с низкой минерализацией (Q_isf) на впускном отверстии и расходом концентрата с низкой минерализацией (Q_isc) в выпускном отверстии в секции модуля с низкой минерализацией. Управление расходами в секции модуля с низкой минерализацией также определяет концентрацию в потоке концентрата с низкой минерализацией (C_lsc), полученного из потока раствора с низкой минерализацией (Q_lsf), и его концентрацию (C_lsf).

Вариации давления во время процесса на основе ограниченного давлением осмоса в указанном модуле предпочтительного варианта реализации устройства, показанного на фиг. 1, перекрывают диапазон между максимальным давлением (p_max), определенным начальной разностью осмотических давлений (Δп_max), создаваемой раствором с высокой минерализацией и раствором с низкой минерализацией, и минимальным давлением (p_min), диктуемым концентрацией концентрата с низкой минерализацией и разбавленного концентрата с высокой минерализацией в желательной точке окончания последовательности, проявляющей минимальную разность осмотических давлений (Δп_min). Продолжительность процесса ограниченного давлением осмоса определена собственным объемом (V) указанного модуля, управляемым расходом проникновения (Q_p) и выбранным минимальным последовательным давлением (p_min). Поскольку величина V неизменна, увеличенный расход проникновения (Q_p) при фиксированном давлении (p_min) в точке окончания будет приводить к уменьшенной длительности последовательности на основе ограниченного давлением осмоса и наоборот. Период полной рециркуляции объема (V) модуля в устройстве по предпочтительному варианту реализации, показанному на фиг. 1, зависит от Q_cp и определен отношением V/Q_cp, а количество циклов полного объема (V) в расчете на последовательность на основе ограниченного давлением осмоса определено выбранным минимальным последовательным давлением (p_min).

Вариации мощности во время последовательности на основе ограниченного давлением осмоса в указанном модуле по предпочтительному варианту реализации устройства по фиг. 1, определены фиксированным расходом проникновения (Q_p), совпадающим с расходом находящегося под давлением разбавленного раствора с высокой минерализацией, приводящим в действие турбину-генератор (или гидравлический двигатель - генератор вместо этого) системы выработки электроэнергии, и диапазоном давлений p_max→p_min в последовательности ограниченного давлением осмоса. Выработка номинальной мощности электроэнергии в указанной конструкции по настоящему изобретению ограничена диапазоном мощности (P_G) для одного генератора, определенным формулой (1) или (2):

причем f_g означает показатель эффективности всей системы (турбина-генератор) выработки электроэнергии. Проще говоря, только отношение p_min/p_max для максимально доступной последовательно извлекаемой мощности использовано для выработки электроэнергии номинальной мощности.

Показанное на фиг. 2 устройство согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, предназначенное для улучшенной последовательной выработки электрической мощности на основе ограниченного давлением осмоса, отлично от устройства по фиг. 1 только использованием нескольких генераторов для выработки электроэнергии номинальной мощности. Фиксированная скорость вращения (постоянное число N оборотов в минуту) при переменном крутящем моменте, имеющем место на валу указанной турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя) во время процесса ограниченного давлением осмоса в устройстве согласно изобретению по фиг. 2, преобразована в электроэнергию номинальной мощности посредством трех номинальных генераторов (G1, G2 и G3), которые приведены в действие поочередно и/или одновременно посредством средства механизма зубчатого сцепления в зависимости от значения контролируемого (посредством манометра РМо на выпускном отверстии и/или манометра Pmi на впускном отверстии) в ходе последовательности давления, которое указывает на наличие мощности системы. Добавление нескольких зон выработки номинальной мощности в ходе процесса ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре обеспечивает средства для увеличенной мощности электроэнергии на выходе. Например, эти три генератора в устройстве согласно настоящему изобретению, показанному на фиг. 2, обеспечивают возможность уменьшения выработки электроэнергии (например, G1+G2+G3>G1+G2>G1) вдоль диапазона процесса на основе ограниченного давлением осмоса, определенного переходом p_max→p_min; тогда как использование лишь одного генератора ограничивает выходную мощность величиной G1.

Для обеспечения возможности непрерывной работы устройства выработки электроэнергии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре необходимо удалять разбавленный раствор с высокой минерализацией и подавать раствор с высокой минерализацией без приостановки процесса, причем это может быть достигнуто посредством одного или нескольких боковых трубопроводов, содержащих линейные и клапанные средства для обеспечения возможности взаимодействия с модулем и выхода из взаимодействия с модулем, введенным в замкнутый контур системы, работающей на основе ограниченного давлением осмоса. Предпочтительный вариант реализации устройства по настоящему изобретению, предназначенного для непрерывной выработки электроэнергии посредством технологии ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре соответственно конструкции, схематически показанной на фиг. 3 (A-D), содержит основной блок по настоящему изобретению согласно фиг. 2 с дополнительными особенностями, такими как боковой трубопровод, линия от выпускного отверстия клапана V2 к впускному отверстию указанного бокового трубопровода для получения разбавленного раствора с высокой минерализацией, линия от выпускного отверстия указанного бокового трубопровода к впускному отверстию клапана V3 для подачи раствора с высокой минерализацией к модулю, подающий низконапорный насос P_HSF для подачи раствора с высокой минерализацией в указанный боковой трубопровод, линия подачи с устройством измерения расхода PM_HSF и клапанным средством V4, предназначенная для передачи определенного объема раствора с высокой минерализацией от указанного насоса в указанный боковой трубопровод, и выпускная труба с клапанным средством V5, идущая от упомянутого бокового трубопровода в водосток для выпуска разбавленного раствора с высокой минерализацией. Ниже описаны основные режимы приведения в действие устройства по настоящему изобретению во время непрерывной выработки мощности на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре. На фиг. 3А показана конфигурация устройства по настоящему изобретению, в которой вышедший из взаимодействия боковой трубопровод со сброшенным давлением подвержен быстрой замене разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией при использовании низконапорного насоса P_LSF; на фиг. 3B показана конфигурация устройства по настоящему изобретению, в которой вышедший из взаимодействия находящийся под давлением боковой трубопровод ожидает взаимодействия с модулем; на фиг. 3С показана конфигурация устройства по настоящему изобретению, в которой взаимодействие бокового трубопровода с модулем дает возможность замены разбавленного концентрата с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией в указанном модуле без остановки выработки электроэнергии; и на фиг. 3D показана конфигурация устройства по настоящему изобретению, в которой вышедший из взаимодействия боковой трубопровод со сброшенным давлением ожидает включения низконапорного насоса P_LSF для замены разбавленного концентрата с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией.

Способ работы устройства по настоящему изобретению, предназначенного для непрерывной реализации технологии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре согласно предпочтительному варианту реализации, показанному на фиг. 3, включает следующие этапы. [А] Происходит повторное заполнение вышедшего из взаимодействия бокового трубопровода раствором с высокой минерализацией согласно фиг. 3А, а выработка электроэнергии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре имеет место посредством внутренней рециркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией. [В] После завершения повторного заполнения бокового трубопровода фиксированным (отслеживаемым устройством измерения расхода FM_HSF) объемом раствора с высокой минерализацией, боковой трубопровод герметизирован, давление в нем поднято и он оставлен в режиме ожидания следующего взаимодействия согласно фиг. 3B. [С] Взаимодействие бокового трубопровода с замкнутым контуром инициировано сигналом контроля давления (манометр РМо) и/или сигналом контроля электропроводности (устройство измерения электропроводности), которые показывают выбранный минимальный диапазон давлений при выполнении последовательности на основе ограниченного давлением осмоса; и после этого работа входящей во взаимодействие системы продолжена согласно фиг. 3С. [D] Выведение бокового трубопровода из взаимодействия с замкнутым контуром происходит после того, как замененный контролируемый (посредством устройства FM_cp измерения расхода) объем разбавленного концентрата с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией соответствует собственному объему модуля, и затем вышедший из взаимодействия боковой трубопровод подвергнут сбросу давления согласно фиг. 3D, а после этого происходит возобновление нового цикла (этапы А→D на фиг. 3).

Непрерывная выработка электроэнергии устройством по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации, показанном на фиг. 3, идет с двумя диапазонами уровня мощности согласно конфигурации (взаимодействует или выведен из взаимодействия) бокового трубопровода относительно замкнутого контура. Диапазон с высоким уровнем выходной мощности достижим указанной системой во время ее конфигурации взаимодействия вследствие подачи раствора с высокой минерализацией во впускное отверстие модуля; тогда как диапазон с низким уровнем выходной мощности имеет место во время конфигурации с выводом из взаимодействия и указывает на подачу во впускное отверстие модуля раствора с пониженной минерализацией, а именно подвергнутого рециркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией. Реальный профиль выработки фактической мощности представляет собой комбинацию двух диапазонов уровня мощности, зависит от выбранного значения расхода проникновения (Q_p), расхода рециркуляции (Q_cp), объема бокового трубопровода, а также от номинальной мощности определенных генераторов и их режимов приведения в действие согласно давлению в замкнутом контуре.

Конструкция и принципы работы устройства по настоящему изобретению с одним модулем согласно конструкции, схематически показанной на фиг. 3, могут быть усовершенствованы с включением нескольких подсоединенных параллельно к замкнутому контуру модулей с их впускными и выпускными отверстиями и их совместным собственным объемом, равным объему бокового трубопровода, или меньшим объема этого трубопровода. Устройство по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации с тремя модулями и лишь одним боковым трубопроводом (конструкция показана на фиг. 4) иллюстрирует тройное расширение основного устройства по настоящему изобретению, показанного на фиг. 3, причем тот же самый подход может быть применен к конструкции аналогичного устройства по настоящему изобретению с любым желательным количеством модулей.

Идеальная система выработки электроэнергии в замкнутом контуре на основе ограниченного давлением осмоса (осмос → электричество) требует непрерывной подачи раствора с высокой минерализацией во впускное отверстие модуля без необходимости повышения давления подаваемого раствора средствами регенерации электроэнергии. Указанное требование к идеальной системе выработки электроэнергии в замкнутом контуре на основе ограниченного давлением осмоса выполнено посредством поочередного использования двух боковых трубопроводов согласно предпочтительному варианту реализации устройства по настоящему изобретению (фиг. 5 (А-С)); причем варианты А→С описывают основные режимы приведения в действие двух боковых трубопроводов в устройстве согласно настоящему изобретению. Устройство по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации, показанном на фиг. 5, сочетает конструкцию изобретения с одним модулем, показанную на фиг. 1, с двумя средствами бокового трубопровода, работающими в режимах поочередного приведения в действие для непрерывной подачи раствора с высокой минерализацией во впускное отверстие модуля. Параллельная конфигурация двух средств бокового трубопровода (обозначенных SC-1 и SC-2 на фиг. 5) с отдельными соединительными линиями и клапанными средствами, ведущими к замкнутому контуру модуля, обеспечивает возможность их поочередного взаимодействия с замкнутым контуром модуля для непрерывной подачи раствора с высокой минерализацией. Поочередное взаимодействие двух боковых трубопроводов с замкнутым контуром модуля обеспечивает возможность непрерывной подачи раствора с высокой минерализацией к впускному отверстию модуля с одновременным удалением разбавленного раствора с высокой минерализацией из его выпускного отверстия без необходимости использования средств регенерации энергии. При нахождении одного бокового трубопровода в состоянии взаимодействия с модулем в выведенном из взаимодействия боковом трубопроводе происходит замена разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией, затем происходит его герметизация, в нем повышают давление и оставляют его в положении ожидания следующего взаимодействия. Переключение между поочередно взаимодействующими боковыми трубопроводами (SC-1 и SC-2) во время работы устройства по настоящему изобретению с конструкцией по фиг. 5 происходит посредством получения сигнала об объеме от измерителя расхода FM_cp, сообщающем о достижении выбранного значения перемещенного объема. В выведенном из взаимодействия боковом трубопроводе происходит сброс давления, замена фиксированного объема разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией посредством низконапорного насоса P_HSF и измерителя расхода FM_HSF, и затем герметизация повторно заполненного бокового трубопровода и повышение давления в нем, после чего он оставлен в состоянии ожидания следующего взаимодействия. Повышение давления/сброс давления в боковом трубопроводе согласно изобретению (фиг. 5) происходит посредством манипуляций с клапанными средствами, причем повышение давления достигнуто посредством взаимодействия герметизированного бокового трубопровода с раствором с высокой минерализацией с находящейся под давлением линией замкнутого контура, а сброс давления происходит посредством соединения с атмосферой вышедшего из взаимодействия бокового трубопровода с разбавленным раствором с высокой минерализацией.

Основные режимы приведения в действие устройства по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации по фиг. 5 (А-С) описаны ниже. На фиг. 5А показана система с замкнутым контуром и модулем, работающая с внутренней рециркуляцией и выведенными из взаимодействия средствами бокового трубопровода, причем боковой трубопровод SC-1 с находящимся под давлением раствором с высокой минерализацией состоит в положении ожидания взаимодействия, боковой трубопровод SC-2 претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией (HSF→HSDF), клапанные средства установлены так, как обозначено в скобках V1 [О], V13 [О], V22 [О], Y24 [О], V11 [С], V12 [С], V14 [С], V21 [С] и V23 [С], а циркуляционный насос СР и низконапорные насосы P_LSF и P_HSF приведены в действие одновременно. На фиг. 5B показана система с замкнутым контуром и модулем, работающая с внешней рециркуляцией через боковой трубопровод SC-1, причем боковой трубопровод SC-1 подает находящийся под давлением раствор с высокой минерализацией к впускному отверстию модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускного отверстия, боковой трубопровод SC-2 с находящимся под давлением раствором с высокой минерализацией состоит в режиме ожидания взаимодействия, клапанные средства установлены так, как обозначено в скобках VI [С], V13 [О], V22 [С], V24 [С], VI 1 [О], V12 [С], V14 [С], V21 [С] и V23 [О], циркуляционный насос и низконапорный насос P_LSF приведены в действие одновременно, а низконапорный насос P_LSF сохранен временно холостым. На фиг. 5С показана система с замкнутым контуром и модулем, работающая с внешней рециркуляцией через боковой трубопровод SC-2, причем боковой трубопровод SC-2 подает находящийся под давлением раствор с высокой минерализацией к впускному отверстию модуля и получает разбавленный раствор с высокой минерализацией из его выпускного отверстия, боковой трубопровод SC-1 претерпевает замену разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией (HSF→HSDF), клапанные средства установлены так, как обозначено в скобках VI [С], V13 [С], V22 [С], V24 [С], VII [С], V12 [О], V14 [О], V21 [О] и V23 [О], а циркуляционный насос СР и низконапорные насосы P_LSF и P_HSF приведены в действие одновременно.

Объем средств бокового трубопровода в устройстве согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации устройства, показанном на фиг. 5, должен быть достаточно велик, чтобы обеспечить возможность достаточного большого периода времени для повторного заполнения вышедшего из взаимодействия бокового трубопровода и учета безопасного краткого временного интервала ожидания перед следующим взаимодействием с системой с замкнутым контуром и модулем. Непрерывная подача раствора с высокой минерализацией к впускному отверстию модуля в замкнутом контуре в условиях фиксированной величины расхода проникновения (Q_p=constant) означает, что концентрация разбавленного раствора с высокой минерализацией в выпускном отверстии указанного модуля будет зависеть от рециркуляционного расхода, обеспечиваемого циркуляционным насосом, причем увеличенная величина рециркуляционного расхода сопутствует увеличенной концентрации разбавленного раствора с высокой минерализацией в выпускном отверстии модуля и наоборот. Работа указанного устройства по настоящему изобретению с постоянным расходом проникновения (Q_p), управляемым средствами управления в виде регулирующего расход клапана, и фиксированным рециркуляционным расходом, обеспечиваемым циркуляционным насосом, будет вырабатывать, после краткого периода инициации, фиксированный равновесный градиент концентраций (раствора с высокой минерализацией - разбавленного раствора с высокой минерализацией) в указанном модульном сосуде, создавая, таким образом, равновесное результирующее давление привода при прямом осмосе, которое при идеальных условиях показывает результирующую разность осмотических давлений (Δπ) между средними значениями для систем подачи с (раствором с низкой минерализацией - концентратом с низкой минерализацией) и (раствором с высокой минерализацией - разбавленным раствором с высокой минерализацией). На практике ни одно из идеальных свойств/характеристик переноса через поверхности полупроницаемых мембран не будет приводить к намного более низкому результирующему давлению привода при прямом осмосе в модуле замкнутого контура указанного устройства по настоящему изобретению по сравнению с теоретически ожидаемым значением (Δπ). При использовании обозначения p_NDP (в барах) для фактического результирующего давления привода при прямом осмосе в модуле замкнутого контура упомянутого устройства по настоящему изобретению (p_NDP<Δπ) и δ для отношения фактического результирующего давления привода к идеальному результирующему давлению привода, величина p_NDP определена формулой (3), а выработка электроэнергии (в кВтч) на основе ограниченного давлением осмоса при фиксированном расходе проникновения (Q_p - в м³/час) определена формулой (4); причем р обозначает коэффициент эффективности системы выработки электроэнергии (турбина-генератор) с конструкцией, показанной на фиг. 5. Удельная мощность (ватты/м²) указанной конструкции по настоящему изобретению, показанной на фиг. 5, определена формулой (5); причем S (м²) обозначает площадь поверхности мембраны в модуле замкнутого контура в технология на основе ограниченного давлением осмоса. Неизменные концентрация со средним градиентом и давление прямого осмоса в сосуде модуля в замкнутом контуре указанного устройства по настоящему изобретению по фиг. 5 подразумевают один режим выработки электроэнергии и, таким образом, необходимость в одном электрогенераторе, как показано в этой конструкции, причем в этом случае функция системы (регулирующий расход клапан-устройство измерения расхода FM_p) состоит в обеспечении возможности точной настройки частоты вращения турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя).

Устройство по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации с одним модулем замкнутого контура и двумя поочередно входящими во взаимодействие трубопроводами в конструкции, показанной на фиг. 5, представляет собой лишь один пример общего класса устройств, содержащих множество модулей технологии ограниченного давлением осмоса с их впускными и выпускными отверстиями, причем эти модули подсоединены параллельно к замкнутому контуру с двумя боковыми трубопроводами подходящего объема, обеспечивающими возможность непрерывной подачи раствора с высокой минерализацией во впускные отверстия указанного модуля. Устройство по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации с тремя модулями и двумя боковыми трубопроводами с конструкцией, схематически показанной на фиг. 6 (А-С), причем его основные режимы приведения в действие полностью аналогичны режимам, уже рассмотренным в контексте конструкции лишь с одним модулем (фиг. 5 (А-С)), представляет собой пример соответствующего конструктивного подхода к широкому классу устройств по настоящему изобретению типа <ϕ*(модуль)+2*(боковой трубопровод)> при ϕ≥1.

Способ работы класса устройств по настоящему изобретению типа <ϕ*(модуль)+2*(боковой трубопровод > при ϕ≥1 описан ниже. Происходит заполнение всего устройства по настоящему изобретению (модули и боковые трубопроводы) раствором с высокой минерализацией посредством низконапорного насоса p_HSF и соответствующих линейных и клапанных средств, причем это происходит до начала работы низконапорного насоса p_LSP, предназначенного для подачи раствора с низкой минерализацией. По окончании повторного заполнения начальная конфигурация указанного устройства должна содержать один боковой трубопровод, введенный во взаимодействие с модулем замкнутого контура, и вышедший из взаимодействия второй боковой трубопровод в состоянии ожидания следующего взаимодействия. Затем происходит приведение в действие низконапорного насоса p_LSP и циркуляционного насоса и начало процесса по выработке электроэнергии по технологии на основе ограниченного давлением осмоса. После краткого начального периода система достигает своего фиксированного уровня эксплуатационной мощности и выработка электроэнергии будет после этого устойчивой независимо от операций поочередного приведения в действие боковых трубопроводов. Переключение между боковыми трубопроводами происходит при получении управляющего сигнала от измерителя расхода FM_cp в замкнутом контуре, указывающего на поступление выбранного объема раствора с высокой минерализацией в модуль замкнутого контура, причем этот объем эквивалентен объему удаленного разбавленного раствора с высокой минерализацией.

Следует иметь ввиду, что конструкции предпочтительных вариантов реализации устройства по настоящему изобретению, предназначенного для выработки электроэнергии в замкнутом контуре по технологии ограниченного давлением осмоса, показанного на фиг. 1, фиг. 2. фиг. 3 (A-D), фиг. 4, фиг. 5 (А-С) и фиг. 6 (А-С), схематичны и упрощены и не должны быть расценены как ограничивающие изобретение. На практике узлы и устройства согласно настоящему изобретению могут содержать много дополнительных линий, ветвей, клапанов и других деталей, компонентов и устройств, необходимых для выполнения определенных требований, без выхода при этом за пределы объема формулы изобретения.

Предпочтительные варианты реализации основного устройства по настоящему изобретению, предназначенного для выработки электроэнергии в замкнутом контуре по технологии ограниченного давлением осмоса, показаны на фиг. 1-2 с одним модулем и без бокового трубопровода, на фиг. 3 с одним модулем и одним боковым трубопроводом, на фиг. 4 с тремя модулями и одним боковым трубопроводом, на фиг. 5 с одним модулем и двумя боковыми трубопроводами и на фиг. 6 с тремя модулями и двумя боковыми трубопроводами, причем это сделано с целью достижения простоты, ясности, однородности и удобства представления. Очевидно, что общая конструкция согласно изобретению ни в коем случае не ограничена устройством с одним или с тремя модулями. В частности, следует понимать, что устройство согласно способу по настоящему изобретению может содержать любое желательное количество присоединенных параллельно к замкнутому контуру модулей, с их соответствующими впускными и выпускными отверстиями. Следует также подразумевать, что общая конструкция согласно настоящему изобретению никоим образом не ограничена устройством с одним боковым трубопроводом или с двумя боковыми трубопроводами. В частности, следует понимать, что устройство согласно способу по настоящему изобретению может содержать множество боковых трубопроводов, которые могут поочередно и/или одновременно входить во взаимодействие с модулем замкнутого контура или выходить из взаимодействия с ним для подачи раствора с высокой минерализацией и удаления разбавленного раствора с высокой минерализацией, что, таким образом, обеспечивает возможность непрерывной генерации электроэнергии на основе ограниченного давлением осмоса в устройстве согласно настоящему изобретению.

Объем изобретения ни определен, ни ограничен проектами и конструкциями устройств среднего размера и кластерами таких устройств, предназначенных для сбора экологически чистой электроэнергии посредством выработки электроэнергии в замкнутом контуре на основе ограниченного давлением осмоса, причем устройство и способ по настоящему изобретению могут быть использованы при проектировании крупномасштабных промышленных систем, создаваемых посредством параллельного соединения нескольких устройств по настоящему изобретению в соответствии с концепциями и принципами настоящего изобретения.

Рециркуляция концентрата в замкнутом контуре устройства и способа по настоящему изобретению может быть выполнена посредством средств рециркуляции. Следует понимать, что средства рециркуляции согласно настоящему изобретению могут содержать один подходящий циркуляционный насос или, вместо этого, множество циркуляционных насосов, используемых одновременно при параллельном и/или последовательном соединении.

Преобразование находящегося под давлением потока в электроэнергию номинальной мощности согласно способу по настоящему изобретению выполнено посредством турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя) с управляемой фиксированной скоростью вращения, что приводит в действие один генератор номинальной мощности согласно устройству по настоящему изобретению с предпочтительной реализацией, показанной на фиг. 1-2, фиг. 5 (А-С) и фиг. 6 (А-С), или три генератора номинальной мощности согласно устройству по настоящему изобретению с предпочтительной реализацией, показанной на фиг. 3 (A-D) и фиг. 4. Следует понимать, что общая конструкция согласно настоящему изобретению ни ограничена, ни определена приведением в действие одного или трех генераторов номинальной мощности посредством вала турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя) с фиксированной скоростью вращения и переменным вращающим моментом. В частности, следует понимать, что любое желательное количество генераторов с номинальной мощностью может быть приведено в действие или одновременно или по отдельности посредством вала турбины (или, вместо нее, гидравлического двигателя) с фиксированной скоростью вращения и переменным вращающим моментом.

Для специалистов в данной области техники очевидно, что описанные выше устройство и способ по настоящему изобретению, основанные на ограниченном давлением осмосе в замкнутом контуре, могут иметь отношение к процессу с периодической загрузкой или к непрерывному последовательному поочередному процессу, в которых участвуют отдельное устройство или малые или большие кластеры таких устройств различных конструкций, как уже объяснено выше относительно устройства по настоящему изобретению, и/или кластеры, выполненные из таких устройств, при условии, что такое устройство содержит один модуль или множество таких модулей, подсоединенных параллельно к замкнутому контуру, с их соответствующими впускными и выпускными отверстиями и/или кластеры, выполненные из нескольких таких устройств с замкнутым контуром и средствами для циркуляции, обеспечивающими возможность рециркуляции концентратов; впускные линии, содержащие клапанные средства, подходящие для принятия раствора с низкой минерализацией и раствора с высокой минерализацией; выпускные линии с клапанными средствами, предназначенными для выпуска сточных вод, происходящих от раствора с низкой минерализацией и раствора с высокой минерализацией; линия, идущая от замкнутого контура к турбине (или, вместо нее, к гидравлическому двигателю) с фиксированным расходом и фиксированной скоростью вращения, которая поочередно и/или одновременно приводит в действие один или множество электрогенераторов с номинальной мощностью, и один или множество боковых трубопроводов, которые поочередно и/или периодически входят в соединение с замкнутым контуром для непрерывной и/или периодической подачи свежего раствора с высокой минерализацией и удаления сточных вод в виде разбавленного раствора с высокой минерализацией.

Хотя выше настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты реализации, специалистам в данной области техники очевидно, что изменения и модификации могут быть внесены без выхода за пределы объема настоящего изобретение в его более широких аспектах и, таким образом, прилагаемые пункты формулы изобретения предназначены для охвата в пределах их объема всех изменений и модификаций, удовлетворяющих истинной сущности изобретения.

Специалистам в данной области техники также очевидно, что раствор с высокой минерализацией и раствор с низкой минерализацией, упомянутые выше в контексте устройства по настоящему изобретению, могут представлять собой любые водные растворы с достаточной разностью осмотического давления между ними, чтобы дать возможность эффективной выработки электроэнергии в замкнутом контуре на основе ограниченного давлением осмоса.

Пример

Использование устройства по настоящему изобретению в предпочтительном варианте реализации по фиг. 5, содержащего лишь один модуль (со свободным объемом V=49 литров и площадью поверхности мембран в 28 м²) и два боковых трубопровода (по 50 литров каждый) с поочередным режимом приведения в действие для непрерывной выработки электроэнергии посредством технологии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре, иллюстрировано при использовании раствора с высокой минерализацией с концентрацией 35000 частей на миллион (или 70000 частей на миллион вместо этого) и раствора с низкой минерализацией с концентрацией 250 частей на миллион с фиксированным расходом проникновения (Q_p) через полупроницаемую мембрану и расходом рециркуляции, в три раза большим расхода проникновения (Q_cp=3*Q_p), при созданной разности осмотического давления между разбавленным раствором с высокой минерализацией и концентратом с низкой минерализацией (Δπ) в отсутствии любого приложенного давления со стороны средств регенерации энергии. Два боковых трубопровода, поочередно входящих во взаимодействие с замкнутым контуром, непрерывно подают свежий раствор с высокой минерализацией к впускному отверстию модуля и удаляют сточные воды в виде разбавленного раствора с высокой минерализацией из его выпускного отверстия, причем период полной рециркуляции объема в указанном устройстве определен как V/Q_cp. Расход подаваемого материала с низкой минерализацией в системе (раствор с низкой минерализацией → концентрат с низкой минерализацией), откуда получено значение Q_p, работает с отношением расходов, выраженным как Q_LSC/Q_LSF=0,2.

В отсутствие приложенного гидравлического давления (Δр) эффективное результирующее давление привода (NDP_effect) во взятом в качестве примера процессе на основе ограниченного давлением осмоса зависит от (Δπ) и выражено как NDP_effect=β*Δπ, где β означает эмпирический коэффициент, принимающий во внимание различные неблагоприятные эффекты (например, поляризацию концентрации, ограничения на перенос через пористую поддержку активного полупроницаемого слоя и т.д.), которые неблагоприятно влияют на такой процесс. Мембраны с благоприятной пористой поддержкой активного слоя, рассматриваемые в контексте взятого в качестве примера устройства по настоящему изобретению с обширным поперечным расходом разбавленного раствора с высокой минерализацией, создаваемого циркуляционным насосом в отсутствие какого-либо компонента приложенного давления (Δр), должны обеспечивать возможность высокого значения NDP_effect, вероятно, в два раза большего значения, получаемого при использовании обычных методик выработки электроэнергии на основе ограниченного давлением осмоса, посредством чего средства регенерации энергии подают раствор под давлением 10-12 бар во впускное отверстие модуля в системе, содержащей раствор с высокой минерализацией с концентрацией 35000 частей на миллион и раствор с низкой минерализацией с концентрацией 250 частей на миллион. В соответствии с этим можно полагать, что выбор значения β=0,75 для оценки величины NDP_effect на основании величины Δπ при взятых в качестве примера эксплуатационных особенностях устройства по настоящему изобретению для непрерывной выработки электроэнергии на основе ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре основан на приемлемых предположениях.

Основные эксплуатационные параметры, как идеальные, так и прогнозируемые, а именно минерализация модуля [А], давление в модуле [В], плотность мощности на основе ограниченного давлением осмоса [С] и выходная мощность в технологии на основе ограниченного давлением осмоса [D] для взятого в качестве примера устройства по настоящему изобретению с конструкцией, схематически показанной на фиг. 5, показаны с фиксированным расходом проникновения, составляющим 20 литров/м²/час для раствора с высокой минерализацией с концентрацией 35000 частей на миллион на фиг. 7 (Таблица 1) и для раствора с высокой минерализацией с концентрацией 70000 частей на миллион на фиг. 8 (Таблица 2).

Группа изобретений относится к области выработки экологически чистой электроэнергии по технологии ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством последовательности с периодической загрузкой или посредством непрерывной последовательности с использованием двух секций. Одна из секций представляет собой вышедший из взаимодействия боковой трубопровод, в котором происходит замена разбавленного концентрата с высокой минерализацией на свежий раствор. Другая секция представляет собой устройство с замкнутым контуром с тремя соединенными параллельно модулями, куда непрерывно поступает раствор с низкой минерализацией и где часть разбавленного концентрата с высокой минерализацией претерпевает рециркуляцию через модули. Другая часть использована для выработки электроэнергии посредством турбины и трех электрогенераторов. Периодическое подключение бокового трубопровода с раствором с высокой минерализацией и замкнутый контур дают возможность замены сжатого разбавленного концентрата с высокой минерализацией на свежий раствор без остановки процесса выработки электроэнергии. Группа изобретений направлена на обеспечение выработки электроэнергии посредством ограниченного давлением осмоса. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство для выработки электроэнергии посредством ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре (PRO-CC) без необходимости использования средств регенерации энергии, содержащее

по меньшей мере один модуль, содержащий

сосуд под давлением с секцией полупроницаемой мембраны внутри,

линию впуска к внутренней части указанной секции мембраны для подачи раствора с низкой минерализацией (LSF) и

линию выпуска для удаления концентрата с низкой минерализацией (LSC),

линию впуска в указанный сосуд для подачи раствора с высокой минерализацией (HSF) на внешние поверхности указанной мембраны и

линию выпуска для удаления разбавленного раствора с высокой минерализацией (HSDF),

линию, соединяющую впускное отверстие с выпускным отверстием указанного сосуда для обеспечения возможности рециркуляции в замкнутом контуре указанного разбавленного раствора с высокой минерализацией через указанный модуль или множество таких модулей со своими соответствующими впускными и выпускными отверстиями, соединенными параллельно;

линию, проходящую от указанного замкнутого контура для пропускания под давлением потока разбавленного раствора с высокой минерализацией, произведенного посредством указанного ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре, к системе, содержащей

турбинные средства с фиксированным расходом и постоянной скоростью вращения, или вместо них гидравлические двигательные средства с фиксированным расходом и постоянной скоростью вращения, сообщающиеся со средствами выработки электроэнергии номинальной мощности, посредством чего гидравлическая энергия преобразована в электроэнергию номинальной мощности в указанном устройстве;

по меньшей мере одну систему циркуляции в указанном замкнутом контуре, обеспечивающую возможность поперечного потока разбавленного раствора с высокой минерализацией по указанным внешним поверхностям мембраны(-ан) в указанном(-ых) модуле(-ях);

по меньшей мере одно низконапорное насосное средство для подачи раствора с низкой минерализацией в указанное устройство;

по меньшей мере одно низконапорное насосное средство для подачи раствора с высокой минерализацией в указанное устройство;

средства бокового трубопровода, объем которого совпадает с объемом указанного(-ых) модуля(-ей) или превосходит этот объем, содержащий

линию от выпускного отверстия указанного бокового трубопровода к впускному(-ым) отверстию(-ям) указанного(-ых) модуля(-ей) для подачи раствора с высокой минерализацией,

линию от выпускного(-ых) отверстия(-ий) указанного(-ых) модуля(-ей) к впускному отверстию указанного бокового трубопровода для удаления разбавленного раствора с высокой минерализацией,

впускную линию к указанному боковому трубопроводу от низконапорных насосных средств для повторного заполнения раствором с высокой минерализацией и

выпускную линию от указанного бокового трубопровода для удаления разбавленного раствора с высокой минерализацией;

клапанные средства в указанных линиях для обеспечения возможности периодического взаимодействия между указанными средствами бокового трубопровода, заполненного раствором с высокой минерализацией и указанным(-ыми) модулем(-ями) для замены отработанного разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией при продолжении ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре, и после этого выхода из взаимодействия указанных средств бокового трубопровода с указанным(-ыми) модулем(-ями) по завершении указанной замены для обеспечения возможности повторного заполнения указанных вышедших из взаимодействия средств бокового трубопровода указанным раствором с высокой минерализацией в готовности к следующему взаимодействию;

средства слежения за параметрами указанного процесса ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре в указанном устройстве для обеспечения возможности слежения за его работой и

управляющую систему, сообщающуюся с указанными средствами слежения, клапанными средствами и насосными средствами для управления выбранным режимом приведения в действие указанного устройства.

2. Устройство по п. 1, в котором

средства слежения, предназначенные для контроля и управления за его работой, содержат устройства слежения за давлением, расходом и электропроводностью.

3. Устройство по п. 1, в котором

указанная система циркуляции для рециркуляции разбавленного раствора с высокой минерализацией содержит один или большее количество циркуляционных насосов, соединенных последовательно или параллельно.

4. Устройство по п. 1, в котором

указанные турбинные средства с фиксированным расходом и постоянной скоростью вращения, или вместо них гидравлические двигательные средства с фиксированным расходом и постоянной скоростью вращения, содержат регулирующие расход клапанные средства, управляемые устройством измерения расхода и/или устройством измерения количества оборотов в минуту поворотного вала указанной гидротурбины, или гидравлического двигателя вместо нее, посредством чего выбранная скорость вращения указанного вала поддерживается постоянной.

5. Устройство по п. 1, в котором

указанные средства выработки электроэнергии номинальной мощности содержат один или больше чем один номинальный электрогенератор или множество номинальных электрогенераторов, приводимых в действие поочередно и/или одновременно с постоянной скоростью посредством вала указанной турбины, или гидравлического двигателя вместо нее, через средства механизма зубчатого сцепления в зависимости от доступности энергии от указанного процесса ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре указанного устройства.

6. Устройство по п. 1, в котором

указанные средства бокового трубопровода представляют собой два полных средства бокового трубопровода, соединенных параллельно и работающих в режиме поочередного взаимодействия для непрерывной подачи раствора с высокой минерализацией во впускное(-ые) отверстие(-ия) модуля(-ей) и удаления разбавленного раствора с высокой минерализацией из выпускного(-ых) отверстия(-ий) модуля(-ей) в указанном устройстве, причем

если один боковой трубопровод находится в состоянии взаимодействия с указанным(-ыми) модулем(-ями), то другой вышедший из взаимодействия боковой трубопровод претерпевает сброс давления, замену разбавленного концентрата с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией и повышение давления для готовности для последующего взаимодействия, причем

частота чередования бокового трубопровода зависит от их собственного объема с пониженной частотой, имеющей место при увеличенном объеме и наоборот.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором

указанные растворы подаваемого вещества с высокой минерализацией и с низкой минерализацией, поступающие в указанное устройство посредством указанных способов, представляют собой любые водные растворы с достаточной разностью осмотических давлений между ними для обеспечения возможности выполнения эффективного процесса ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре.

8. Способ проведения непрерывного ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре, предназначенный для выработки электрической номинальной мощности без необходимости регенерации энергии в устройстве с одним средством бокового трубопровода по любому из предыдущих пп. 1-5, согласно которому

подают свежий раствор с высокой минерализацией к впускному(-ым) отверстию(-ям) указанного(-ых) модуля(-ей) и удаляют разбавленный раствор с высокой минерализацией из выпускного(-ых) отверстия(-ий) во время периодического взаимодействия указанных средств бокового трубопровода с указанным(-ыми) модулем(-ями), и при этом

рециркулирующий разбавленный раствор с высокой минерализацией впускают в впускное(-ые) отверстие(-ия) указанного(-ых) модуля(-ей) при выходе из взаимодействия указанных средств бокового трубопровода и указанного(-ых) модуля(-ей) для повторного заполнения посредством замены разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией перед следующим взаимодействием, причем

продолжительность выхода из взаимодействия определена собственным объемом указанных средств бокового трубопровода в комбинации с временным промежутком, необходимым для повторного заполнения, причем

увеличенный объем бокового трубопровода в комбинации с меньшей продолжительностью повторного заполнения обеспечивают возможность удлиненных периодов взаимодействия и наоборот.

9. Способ проведения непрерывного ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре для выработки электрической номинальной мощности без необходимости регенерации энергии в устройстве с двумя средствами бокового трубопровода по любому из предыдущих пп. 1-4 и 6, согласно которому

осуществляют непрерывную подачу свежего раствора с высокой минерализацией к впускному(-ым) отверстию(-ям) и непрерывное удаление разбавленного раствора с высокой минерализацией из модуля(-ей) указанного модуля(-ей) посредством поочередного взаимодействия двух указанных средств бокового трубопровода, так что

если один боковой трубопровод взаимодействует с указанным(-ыми) модулем(-ями), то другой боковой трубопровод выведен из взаимодействия с указанным(-ыми) модулем(-ями) для повторного заполнения посредством замены разбавленного раствора с высокой минерализацией на раствор с высокой минерализацией перед следующим взаимодействием, причем

частота чередования бокового трубопровода определена собственным объемом указанных средств бокового трубопровода и временным промежутком, необходимым для повторного заполнения, причем

уменьшенная частота чередования бокового трубопровода имеет место при увеличенном собственном объеме боковых трубопроводов в комбинации с уменьшенной продолжительностью повторного заполнения и наоборот.

10. Способ по п. 8 или 9, в котором

указанные растворы подаваемого вещества с высокой минерализацией и с низкой минерализацией, поступающие в указанное устройство посредством указанных способов, представляют собой любые водные растворы с достаточной разностью осмотических давлений между ними для обеспечения возможности выполнения эффективного процесса ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре.