Устройство для получения пресной воды методом вымораживания непрерывным способом Российский патент 2023 года по МПК C02F1/22 

Изобретение относится к области водоснабжения и предназначено для получения пресной воды из природных соленых источников или из морской воды путем циклического чередования стадий вымораживания (кристаллизации) льда и последующего его плавления с образованием пресной воды в непрерывном режиме.

Известны различные способы получения пресной воды из водных растворов, основанные на охлаждении исходного водного раствора до температуры кристаллизации воды. Доля метода опреснения воды вымораживанием до кристаллов льда, из которых в последующем получают целевой продукт, по данным [Борис Руденко. Как восполнить водные ресурсы. Наука и жизнь. 2017, №12 (archive / 483/ 11798)] составляет всего 0,1%. Это связано с тем, что отсутствуют рентабельные способы охлаждения воды, которые можно применять в промышленных масштабах.

Известно устройство для получения льда, пресной воды и концентрации растворов вымораживанием (патент RU 2653166, опубл. 07.05.2018, бюл. №13). В устройстве два барабана разного диаметра соединяют металлизированной транспортерной лентой, которая охлаждается потоком холодного воздуха. Большой барабан с охлажденной лентой опускается в используемую воду. На ленте намораживается лед, и лента перемещается к барабану меньшего диаметра, где с помощью потока горячего воздуха растапливается лед и собирается в специальный бункер пресная вода.

Недостатками технического решения являются сложное аппаратурное оформление в виде двух барабанов с приводом в движение, транспортерной лентой, несколькими форсунками, а также необходимость получения потоков холодного и горячего воздуха, что требует энергетических затрат.

Известно термоэлектрическое устройство для непрерывного получения пресной воды методом вымораживания, принятое за прототип (патент RU 2315002, опубл. 20.01.2008, бюл. № 2). Устройство содержит охлаждающий воду теплообменник, температура которого задается термоэлектрической батареей. Теплообменник помещен в полый вращающийся цилиндр, одна четвертая часть поверхности которого опущена в морскую воду. Эта нижняя часть барабана охлаждается термоэлектрической батареей. Тепло с горячих спаев термоэлектрической батареи снимается теплоносителем, который поднимается к верхней части барабана и растапливает частично намерзший на внешней стенке барабана лед. Полученная талая вода собирается в специальный приемник.

Недостатками устройства являются большой расход электроэнергии, низкая производительность из-за небольшой доли непосредственного контакта поверхности охлаждаемого термобатареей барабана с используемой водой, необходимость использования кривошипно-шатунного механизма для удаления образовавшегося льда.

Технической проблемой настоящего изобретения является создание устройства для получения пресной воды методом вымораживания из солесодержащих водных растворов без привлечения внешних источников энергии для кристаллизации льда и его последующего плавления.

Указанная проблема решается тем, что устройство для получения пресной воды методом вымораживания непрерывным способом содержит цилиндрический корпус, на нижней части которого закреплены емкости для очищаемой и полученной пресной воды, к верхней и нижней части корпуса прикреплена ось, выполненная с возможностью совершения вращения, на оси закреплены рычаги, на концах первого рычага закреплены два цилиндра, выполненные с возможностью размещения в них легколетучего хладоагента, с поршнями, штанги которых закреплены на концах второго рычага, причем цилиндры выполнены с возможностью перемещения вверх и вниз, при этом концы рычагов находятся в направляющих желобах на стенках корпуса устройства.

На фигуре представлена схема устройства для получения пресной воды методом вымораживания непрерывным способом.

Устройство содержит цилиндры 1 и 2 с поршнями 3 и 4. Цилиндры связаны между собой рычагом 5, который закреплен на оси 6. Соединения цилиндров с рычагом 5 и осью 6 выполнены таким образом, чтобы цилиндры могли свободно перемещаться вверх и вниз. Для соединения трущихся поверхностей цилиндров, рычага и оси применяются подшипники. Аналогичным образом поршни 3 и 4 соединены с рычагом 7, который прикреплен к оси 6. При этом соединения с применением подшипников выполнены таким образом, чтобы обеспечивать свободное движение поршней 3 и 4 в цилиндрах 1 и 2 вверх и вниз. Концы оси 6 с подшипниками прикреплены к верхней и нижней части цилиндрического корпуса 8. Такое крепление необходимо для того, чтобы ось 6 с рычагами 5 и 7 могла свободно совершать вращательные движения. На корпусе закреплены также емкость 9 для очищаемой воды и ёмкость 10 для полученной пресной воды. Концы рычагов 5 и 7 находятся в направляющих каналах (желобах) 11 и 12 на боковой стенке корпуса. Направляющие каналы 11 и 12 рычагов 5 и 7 выполнены следующим образом: около емкости 9 для очищаемой воды расходятся, а около емкости 10 с пресной водой сходятся. Это необходимо для того, чтобы цилиндр 1 опускался в емкость 9, а поршень 3 двигался вверх и создавал пониженное давление в цилиндре 1. Одновременно, рычаг 5 заставляет цилиндр 2 нависать над емкостью 10, а поршень 4 из-за рычага 7 движется вниз и повышает давление в цилиндре 2 (уменьшает разрежение).

Принцип действия устройства основан на выделении пресной воды в виде льда из водного раствора, содержащего соли или другие примеси. Понижение энтальпии водного раствора до температуры кристаллизации льда осуществляется без использования внешних источников холода. Плавление льда и получение пресной воды также происходит без применения внешних источников энергии

Устройство работает следующим образом.

Принцип действия установки основан на взаимопревращениях теплоты и работы.

При подготовке устройства для получения пресной воды к работе вначале в цилиндрах 1 и 2 создают минимально возможный объем и заливают легколетучим хладоагентом, например, сероуглеродом CS2. Затем ось 6 начинают вращать. Цилиндр 1 опускается в очищаемую воду в емкости 9. При этом поршень 3 движется вверх и создает разрежение в цилиндре 1 с хладоагентом. При пониженном остаточном давлении хладоагент начинает испаряться, забирая теплоту от стенок цилиндра 1. На охлажденной внешней стенке цилиндра 1 кристаллизуется вода из емкости 9. В результате дальнейшего вращения оси 6 цилиндр 1 оказывается над емкостью 10. При этом поршень 3 начинает сжимать пары хладоагента, так как направляющий канал 12 заставляет этот поршень двигаться вовнутрь цилиндра. При сжатии пары хладоагента конденсируются, выделяя теплоту, которая нагревает стенки цилиндра 1. Это приводит к частичному плавлению и разрушению структуры льда на стенке цилиндра 1 и лед падает в емкость 10, а затем дает пресную воду. В это время цилиндр 2 за счет рычага 5 погружается в емкость 9 с очищаемой водой, поршень 4 за счет рычага 7 создает разрежение. Хладоагент испаряется, охлаждая стенки цилиндра 2, на которой образуется ледяная корка. При дальнейшем вращении оси 6 цилиндры 1 и 2 меняются местами: цилиндр 1, освободившийся от ледяной корки, погружается в емкость 9 и вымораживает лед. Цилиндр 2 в это время нависает над емкостью 10 и освобождается от ледяной корки по мере конденсации паров хладоагента. Постоянное вращение оси 6 позволяет повторить этот цикл "кристаллизация воды - плавление льда" многократно.

Исходную воду следует подавать в емкость 9 через трубу-змеевик, заложенный в емкость 10, для предварительного охлаждения перед вымораживанием.

Если взять цилиндр с внутренним диаметром, например, d=20 см, то площадь дна составит πd²/4=3,14⋅20²/4=314 см². В случае просвета между дном цилиндра и поршнем 0,5 см (5 мм) объем составит 314⋅0,5=157 см³ (157 мл). Этого объема вполне достаточно для заливки 1 моль (76 граммов) хладоагента CS₂. Для получения остаточного давления в цилиндре с поршнем в 40 мм ртутного столба, объем надо увеличить в 760/40=19 раз, т.е. довести объем до 157⋅19=2983 см³ (примерно 3 литра). Такой объем можно получить, если поршень выдвинуть из цилиндра на 2983/314=9,5 см. При таком остаточном давлении в результате испарения хладоагента температура стенок цилиндра достигнет минус 22,5°С [Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, исправленное и дополненное / Под ред. А.А. Равделя и A.M. Пономаревой - СПб.: "Иван Федоров", 2003. - 240 с., ил.], что значительно ниже температуры кристаллизации воды (0°С).

Указанный объем займут пары хладоагента, взятого в количестве 2983/22400=0,133 моль CS₂ или 0,133 моль⋅76 г/моль = 10,1 грамм (1 моль газа занимает объем 22400 мл). Иными словами, в цилиндр надо залить примерно 10 грамм сероуглерода. Для испарения такой массы CS₂ потребуется 0,133 моль⋅26,74 кДж/моль = 3,56 кДж теплоты [Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, исправленное и дополненное / Под ред. А.А. Равделя и A.M. Пономаревой - СПб.: "Иван Федоров", 2003. - 240 с., ил.]. Эта теплота будет отнята от стенок цилиндра и поэтому хватит для кристаллизации примерно 3,56/6,01=0,59 моль или 10,6 грамм воды (для кристаллизации 1 моль воды нужно отнять 6,01 кДж теплоты [Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, исправленное и дополненное / Под ред. А.А. Равделя и A.M. Пономаревой - СПб.: "Иван Федоров", 2003. - 240 с., ил.]). Значит, если в цилиндр залить примерно 10 грамм сероуглерода, то за один цикл "кристаллизации воды - плавлении льда" можно получить 10 грамм пресной воды. Если цикл проводить примерно за 5 минут, то в течение одного часа 12 циклов позволят получить (60/5)⋅10=120 грамм пресной воды. При работе устройства в течение суток выход составит 24⋅120=2880 грамм (почти 3 л) пресной воды.

Все вышеперечисленные расчеты проведены без учета теплопотерь, т.е. когда коэффициент полезного действия равен единице (или 100%).

В случае выполнения устройства портативным ось 6 можно вращать вручную за счет человеческих усилий. Таких усилий будет вполне достаточно, так как часть затрат на работу расширения, например, в цилиндре 1 будет компенсировать второй цилиндр, в котором поршень будет всасываться в разреженный цилиндр 2 (так как цилиндры закреплены на одном рычаге). В промышленном варианте устройства вращение оси придется осуществлять с помощью электродвигателя.

Преимущества заявленного объекта по сравнению с аналогами заключаются в следующем:

- предлагаемое устройство для получения пресной воды достаточно экономично и недорого, так как основные затраты энергии (например, электрической) связаны лишь с вращением оси 6. Нет необходимости использования других видов энергии, например, очень дорогой тепловой энергии в методе дистилляции (методом дистилляции получают примерно 2/3 мировых запасов пресной воды). Принцип действия устройства основан на взаимопревращениях теплоты и работы в ходе испарения и конденсации хладоагента без привлечения внешних источников энергии.

- устройство достаточно просто в эксплуатации и не требует особых затрат на поддержание работоспособности (таких как удаление накипи на теплообменных поверхностях дистилляторов, регенерация и поддержание стабильной пропускной способности мембран в методе обратного осмоса и шокового электродиализа, регенерация адсорбентов/абсорбентов с наноструктурой и т.п.).

- процесс получения льда и пресной воды легко автоматизируется за счет управления скоростью вращения центральной оси 6.

- размер устройства можно варьировать в широком диапазоне от компактных портативных до крупномасштабных кристаллизаторов.

- устройство экологично, так как нет выбросов в окружающую среду (единственная задача - утилизация использованной воды).

- устройство универсально, поскольку основано на удалении воды вымораживанием из любого водного раствора (соленая вода, промышленные или другие стоки, и т.п.).

Изобретение относится к области водоснабжения и предназначено для получения пресной воды из природных соленых источников или из морской воды путем циклического чередования стадий вымораживания (кристаллизации) льда и последующего его плавления с образованием пресной воды в непрерывном режиме. Устройство для получения пресной воды методом вымораживания непрерывным способом содержит цилиндрический корпус, на нижней части которого закреплены емкости для очищаемой и полученной пресной воды, к верхней и нижней части корпуса прикреплена ось, выполненная с возможностью совершения вращения, на которой закреплены рычаги. На концах первого рычага закреплены два цилиндра, выполненные с возможностью размещения в них легколетучего хладагента, с поршнями, штанги которых закреплены на концах второго рычага, для обеспечения перемещения цилиндров вверх и вниз. Концы рычагов находятся в направляющих желобах на стенках корпуса устройства. Технической проблемой настоящего изобретения является создание устройства для получения пресной воды методом вымораживания из солесодержащих водных растворов без привлечения внешних источников энергии для кристаллизации льда и его последующего плавления. 1 ил.

Устройство для получения пресной воды методом вымораживания непрерывным способом, содержащее цилиндрический корпус, на нижней части которого закреплены емкости для очищаемой и полученной пресной воды, к верхней и нижней части корпуса прикреплена ось, выполненная с возможностью совершения вращения, на оси закреплены рычаги, на концах первого рычага закреплены два цилиндра, выполненные с возможностью размещения в них легколетучего хладоагента, с поршнями, штанги которых закреплены на концах второго рычага, причем цилиндры выполнены с возможностью перемещения вверх и вниз, при этом концы рычагов находятся в направляющих желобах на стенках корпуса устройства.