Система опреснения морской воды Российский патент 2024 года по МПК C02F1/02 

Изобретение относится к устройствам для выпаривания и может быть применено для опреснения морских и солесодержащих вод.

Известна многоступенчатая установка для дистилляции воды, содержащая испаритель, водоструйный насос, камеру испарения, (авторское свидетельство СССР №952745, публ. 23.08.1982)

Недостатком данной установки является низкий КПД конструкции.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является «Система опреснения воды под низким давлением на основе технологии индуцированной кавитации», описанная в патенте CN109851134A от 07.06.2019, включающая систему циркуляции морской воды и систему циркуляции пресной воды. Система циркуляции морской воды включает устройство всасывания воды, устройство грубой фильтрации, рабочий насос морской воды с устройством регулирования производительности и генератор индуцированной кавитации, поочередно соединенные трубами, а система циркуляции пресной воды включает рабочий насос пресной воды с устройством регулирования производительности, струйный насос водяного пара и циркуляционный резервуар, соединенные циркуляционными трубами. Циркуляционный резервуар соединен с накопителем воды через переливное устройство, а генератор индуцированной кавитации в системе циркуляции морской воды соединен со струйным насосом водяного пара в системе циркуляции пресной воды через устройство фильтрующей мембраны.

Недостатком прототипа является низкий КПД конструкции из-за потерь энергии, связанных с отсутствием системы рекуперации тепла.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности работы установки с повышенным КПД.

Техническим результатом данного изобретения создание системы опреснения морской воды с повышенным коэффициентом полезного действия.

Для достижения технического результата предложена система опреснения морской воды, характеризующаяся тем, что содержит устройство грубой фильтрации, испарительный циркуляционный контур морской воды, включающий резервуар, имеющий в верхней части отверстие для сепарации воздуха и в нижней части отверстие для удаления твердых примесей из потока и удаления рассола, теплообменник для подогрева морской воды, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности, устройство для создания водяного пара, соединенные последовательно трубопроводами; конденсатный циркуляционный контур пресной воды, включающий резервуар, имеющий в верхней части отверстие для сепарации воздуха и в нижней части отверстие для слива пресной воды, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности, устройство для конденсации водяного пара, теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара, соединенные последовательно трубопроводами, причем устройство для создания водяного пара соединено с устройством для конденсации водяного пара трубопроводом с пароотводящей и пароподводящей трубками, при этом устройство для создания водяного пара выполнено в виде трубы с конфузором, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора, изготовленного в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароотводящей трубки, расположенной внутри трубы с диаметром d2, устройство для конденсации водяного пара выполнено в виде трубы с конфузором, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора, изготовленного в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароподводящей трубки, расположенной внутри трубы с диаметром d2, при этом пароотводящая и пароподводящая трубки объединены в составе соединительного трубопровода с одинаковым внутренним диаметром, а соотношения размеров указанных диаметров выполнены в интервалах: d₄/d₂=2,2-2,4; d₁/d₃=1,4-1,5; d₂/d₁=1,2-1,4, кроме того, теплообменник для подогрева морской воды и теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара соединены между собой трубопроводами с компрессором, образуя контур теплового насоса.

Предпочтительно, чтобы кавитатор в устройстве для создания водяного пара и кавитатор в устройстве для конденсации водяного пара были выполнены идентичными.

Предпочтительно, чтобы конфузор в устройстве для создания водяного пара и конфузор в устройстве для конденсации водяного пара были выполнены идентичными.

На фиг. 1 представлена схема системы опреснения морской воды;

На фиг. 2 представлено сечение участков испарительного циркуляционного контура морской воды и конденсатного циркуляционного контура пресной воды.

Система опреснения морской воды содержит устройство грубой фильтрации 1, испарительный циркуляционный контур морской воды, включающий резервуар 2, имеющий в верхней части отверстие 3 для сепарации воздуха и в нижней части отверстие 4 для удаления твердых примесей из потока и удаления рассола, теплообменник для подогрева морской воды 5, циркуляционный насос 6 с устройством регулирования производительности, устройство для создания водяного пара 7, соединенные последовательно трубопроводами. Система опреснения морской воды содержит также конденсатный циркуляционный контур пресной воды, включающий резервуар 8, имеющий в верхней части отверстие 9 для сепарации воздуха и в нижней части отверстие 10 для слива пресной воды, теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара 11, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности 12, устройство для конденсации водяного пара 13, соединенные трубопроводами. Устройство для создания водяного пара 7 соединено трубопроводом 14 с устройством для конденсации водяного пара 13. Устройство для создания водяного пара 7 выполнено в виде трубы 15 с конфузором 17, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора 18, изготовленного в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароотводящей трубки 19, расположенной внутри трубы 16 с диаметром d2. Устройство для конденсации водяного пара выполнено в виде трубы 20 с конфузором 22, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора 23, изготовленного в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароподводящей трубки 24, расположенной внутри трубы 21 с диаметром d2, причем внутренние диаметры пароподводящей и пароотводящей трубок в составе трубопровода 14 выполнены одинаковыми. Кроме того, теплообменник 5 для подогрева морской воды и теплообменник 11 для рекуперации тепла конденсации водяного пара соединены между собой трубопроводами 25 с компрессором 26, образуя контур теплового насоса.

Система опреснения морской воды работает следующим образом:

Поток морской воды поступает в систему через заборное устройство с устройством грубой фильтрации 1. Происходит фильтрация потока от крупных примесей. Далее морская вода попадает в испарительный циркуляционный контур и начинает по контуру циркулировать.

Циркуляционный насос 6 создает такую скорость движения воды, чтобы в устройстве для создания водяного пара 7 она составляла от 10 до 20 м/с. Благодаря высокой скорости обтекания кавитатора 18 в устройстве для создания водяного пара испарительного циркуляционного контура при достижении необходимой температуры формируется протяженная каверна, заполненная паром. Пар из каверны отбирается через пароотводящую трубку и по трубопроводу 14 поступает в устройство для конденсации водяного пара 13, где конденсируется из-за более низкой температуры циркулирующей в конденсатном циркулирующем контуре пресной воды по сравнению с температурой пара.

В резервуаре 2 из потока морской воды отделяются пузырьки воздуха, через отверстие 3, негативно влияющие на весь процесс. Также в резервуаре 2 происходит сброс рассола через отверстие 4 при достижение критической концентрации соли в потоке морской воды, недостаток воды восполняется новой порцией морской воды.

Морская вода нагревается за счет трансформации механической энергии насоса 6 в тепловую энергию и тепла, отбираемого от конденсатного циркуляционного контура пресной воды тепловым насосом, состоящим из теплообменника 5, установленного в испарительном циркуляционном контуре морской воды, теплообменника 11, установленного в конденсатном циркуляционном контуре пресной воды и компрессора 26.

В конденсационном циркуляционном контуре пресной воды циркулирует пресная вода, которая первоначально заливается через резервуар 8.

В конденсатном циркуляционном контуре пресной воды насос 12 создает такую скорость движения воды, чтобы в устройстве конденсации водяного пара 13 она составляла от 10 до 20 м/с. Устройство получения пара конденсатного циркуляционного контура пресной воды состоит из конфузора 22, кавитатора 23, выполненного в виде усеченного конуса, установленного на пароподводящей трубке 24.

Тепло, высвободившееся в результате конденсации пара, возвращается из конденсатного циркуляционного контура пресной воды через теплообменник 11 в испарительный циркуляционный контур морской воды в теплообменник 5 контура теплового насоса, путем передачи тепла от конденсатного циркуляционного контура в контур теплового насоса. Пар из кавитационной каверны в испарительном циркуляционном контуре морской воды, поступает в кавитационную каверну конденсационного контура пресной воды по трубопроводу 14 с последующей конденсацией в каверне за кавитатором 23.

В резервуаре 8 из потока пресной воды отделяются пузырьки воздуха, через отверстие 9, негативно влияющие на весь процесс. Также в резервуаре происходит слив чистой пресной воды через отверстие 10.

В контуре теплового насоса по трубопроводам 25 циркулирует хладагент под действием компрессора 26.

В процессе многочисленных экспериментов на опытной лабораторной установке малой мощности было доказано, что для достижения высокого КПД системы предпочтительно, чтобы кавитатор в устройстве для создания водяного пара и кавитатор в устройстве для конденсации водяного пара были бы выполнены идентичными, а также конфузор в устройстве для создания водяного пара и конфузор в устройстве для конденсации водяного пара были бы выполнены идентичными.

Оптимальными соотношениями размеров диаметров у устройства для создания водяного пара 7 и у устройства для конденсации водяного пара 13 для достижения поставленной задачи являются:

d₄/d₂=2,2-2,4; d₁/d₃=1,4-1,5; d₂/d₁=1,2-1,4

Частный случай выполнения системы опреснения морской воды выполнен со следующими размерами: d₁=29 мм, d₂=35 мм, d₃=20 мм и d₄=81 мм, на опытной лабораторной установке малой мощности, циркуляционные насосы имеют расход 25 м3\ч, при этих параметрах выход по конденсату составляет 24 л/час.

Изобретение относится к устройствам для выпаривания и может быть применено для опреснения морских и солесодержащих вод. Система содержит устройство грубой фильтрации, испарительный циркуляционный контур морской воды и конденсатный циркуляционный контур пресной воды. Испарительный циркуляционный контур включает резервуар, теплообменник для подогрева морской воды, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности, устройство для создания водяного пара, соединенные последовательно трубопроводами. Резервуар имеет в верхней части отверстие для сепарации воздуха и в нижней части отверстие для удаления твердых примесей из потока и удаления рассола. Конденсатный циркуляционный контур пресной воды включает резервуар, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности, устройство для конденсации водяного пара, теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара, соединенные последовательно трубопроводами. Устройство для создания водяного пара соединено с устройством для конденсации водяного пара трубопроводом с пароотводящей и пароподводящей трубками. Устройство для создания водяного пара выполнено в виде трубы с конфузором, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора. Устройство для конденсации водяного пара выполнено в виде трубы с конфузором, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора. Кавитаторы изготовлены в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароотводящей трубки или пароподводящей трубки, расположенной внутри трубы с диаметром d2. Пароотводящая и пароподводящая трубки объединены в составе соединительного трубопровода с одинаковым внутренним диаметром. Соотношения размеров указанных диаметров выполнены в интервалах: d₄/d₂=2,2-2,4; d₁/d₃=1,4-1,5; d₂/d₁=1,2-1,4. Теплообменник для подогрева морской воды и теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара соединены между собой трубопроводами с компрессором, образуя контур теплового насоса. Технический результат: повышение коэффициента полезного действия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система опреснения морской воды, характеризующаяся тем, что содержит устройство грубой фильтрации, испарительный циркуляционный контур морской воды, включающий резервуар, имеющий в верхней части отверстие для сепарации воздуха и в нижней части отверстие для удаления твердых примесей из потока и удаления рассола, теплообменник для подогрева морской воды, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности, устройство для создания водяного пара, соединенные последовательно трубопроводами; конденсатный циркуляционный контур пресной воды, включающий резервуар, имеющий в верхней части отверстие для сепарации воздуха и в нижней части отверстие для слива пресной воды, циркуляционный насос с устройством регулирования производительности, устройство для конденсации водяного пара, теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара, соединенные последовательно трубопроводами, причем устройство для создания водяного пара соединено с устройством для конденсации водяного пара трубопроводом с пароотводящей и пароподводящей трубками, при этом устройство для создания водяного пара выполнено в виде трубы с конфузором, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора, изготовленного в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароотводящей трубки, расположенной внутри трубы с диаметром d2, устройство для конденсации водяного пара выполнено в виде трубы с конфузором, имеющей внутренний диаметр d4, и кавитатора, изготовленного в виде усеченного конуса с диаметрами d1 и d3, размещенного на конце пароподводящей трубки, расположенной внутри трубы с диаметром d2, при этом пароотводящая и пароподводящая трубки объединены в составе соединительного трубопровода с одинаковым внутренним диаметром, а соотношения размеров указанных диаметров выполнены в интервалах: d₄/d₂=2,2-2,4; d₁/d₃=1,4-1,5; d₂/d₁=1,2-1,4, кроме того, теплообменник для подогрева морской воды и теплообменник для рекуперации тепла конденсации водяного пара соединены между собой трубопроводами с компрессором, образуя контур теплового насоса.

2. Система опреснения морской воды по п. 1, отличающаяся тем, что кавитатор в устройстве для создания водяного пара и кавитатор в устройстве для конденсации водяного пара выполнены идентичными.

3. Система опреснения морской воды по п. 1, отличающаяся тем, что конфузор в устройстве для создания водяного пара и конфузор в устройстве для конденсации водяного пара выполнены идентичными.