УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕССОЛИВАНИЯ ПУТЕМ СЖАТИЯ СТРУИ ВОДЫ Российский патент 2025 года по МПК F28D20/02 B01D1/06 B01D1/12 B01D1/16 B01D1/28 

ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству для обессоливания путем сжатия струи воды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно, что плотность воды при 30°С равна 995,710 г/м³, в то время как плотность водяного пара равна всего 29,5 г/м³. Поэтому процесс испарения имеет взрывной характер с расширением объема, которое зависит от температуры воды и которое при 30°С составляет более 33000 раз. Объемное расширение в процессе испарения происходит со скоростью, которая ограничена скоростью звука.

Конденсация водяного пара представляет собой имплозивный процесс, симметричный испарению, с сокращением объема более чем в 33000 раз, который в идеальных условиях происходит со скоростью звука.

Внутри устройства испарения и конденсации в условиях вакуума, т.е. при отсутствии неконденсирующихся газов, которые препятствуют потоку пара, водяной пар протекает от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности с большой скоростью, ограниченной скоростью звука в водяном паре при его температуре. В устройствах для обессоливания многоступенчатой дистилляцией (Multi-Effect Distillation, MED) водяной пар, образуемый на испаряющей поверхности труб одной ступени, протекает к конденсирующей поверхности следующей ступени.

Для возникновения потока водяного пара между испаряющей поверхностью и конденсирующей поверхностью должен существовать градиент температуры.

В устройствах для обессоливания с фазовым переходом этот градиент температуры между испаряющей и конденсирующей поверхностями достигается двумя способами: за счет подачи внешнего тепла и за счет подачи механической энергии, которая сжимает первичный пар во вторичный пар.

Внешняя подача тепла дает возможность управлять температурой воды, которая должна быть испарена, и температурой пара, который должен быть сконденсирован, как это происходит в устройствах MED, в устройствах для многоступенчатого мгновенного (Multi-Stage Flash, MSF) обессоливания и в устройствах для обессоливания путем термического сжатия пара. Проблемой устройств, основанных на подводе внешнего тепла, является высокое удельное потребление энергии.

Подача работы, механической энергии, дает возможность сжать первичный пар, образующийся в результате испарения, и получить вторичный пар более высоких давления и температуры, который конденсируется на конденсирующей поверхности трубы или камеры, на испаряющей поверхности которой образуется первичный пар, как это происходит в устройствах для обессоливания путем механического сжатия (mechanical vapor compression, MVC) или повторного сжатия пара (mechanical vapor recompression, MVR), в устройствах, повышающих давление первичного пара посредством вентиляторов или нагнетателей, как описано в патентном документе PCT/ES2018/070782, и в устройствах, где введение воды под давлением через инжектор, который покрывает весь участок ускорительной трубы, через который струя воды увлекает первичный водяной пар для придания ему скорости, которая трансформируется в более высокое давление, как описано в патенте RU 2234354 С1.

Проблема устройств с механическим вводом, который сжимает первичный пар, заключается в том, что они создают механическое препятствие потоку пара, который протекает от места своего образования, при его взрывном росте в устройстве испарения, до места его исчезновения, при его имплозии в устройстве конденсации, так что скорость потока остается ограниченной скоростью крыльчатки, компрессора, вентилятора, нагнетателя или струи жидкости, что снижает эффективность из-за уменьшения потока в результате аксиального взаимодействия потока с физическим элементом, который придает энергию потоку пара и который становится препятствием на его пути, что снижает скорость потока пара, а вместе с ним и расход.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на решение одной или более проблем и задач, изложенных выше, посредством устройства для обессоливания путем сжатия струи воды, как определено в формуле изобретения.

Устройство для обессоливания путем сжатия струи воды представляет собой устройство для обессоливания с фазовым переходом по меньшей мере с одним высокоэффективным обменником скрытой теплоты, в котором в одном месте происходит испарение первичного пара и конденсация вторичного пара. В систему для обессоливания путем сжатия струи воды энергию подводят к потоку пара, который протекает от места имеющего взрывной характер роста на испаряющей поверхности до места имплозии на конденсирующей поверхности, посредством по меньшей мере одной струи воды для повышения давления и температуры первичного насыщенного пара и получения вторичного насыщенного пара.

Энергия, подводимая к установке для обессоливания путем сжатия струи воды, представляет собой поступательную кинетическую энергию, вращательную кинетическую энергию или их комбинацию, с условием обеспечения по меньшей мере одного беспрепятственного пути, на котором нет препятствий, которые могут снизить скорость потока пара. Беспрепятственный путь для потока пара может быть получен посредством потоковой трубы без физических препятствий и может быть обеспечен посредством расширительной камеры, в которой сечение потока пара увеличено так, что скорость потока пара уменьшается, а внутри этой расширительной камеры и в то время как поток пара протекает с меньшей скоростью, к нему прикладывается по меньшей мере одна струя воды, капли которой имеют скорость большую, чем скорость потока пара.

В устройстве для обессоливания путем сжатия струи воды подача поступательной кинетической энергии по меньшей мере к одному потоку пара осуществляется путем подачи по меньшей мере одной струи воды под давлением в направлении потока пара, который может сопровождаться одной или более струй пара, выходящей из бокового впуска или впуска в центре струи воды, которые не имеют физических препятствий и через которые по меньшей мере один поток пара может беспрепятственно протекать от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности. В устройстве для обессоливания путем сжатия струи воды подача поступательной кинетической энергии по меньшей мере к одному потоку пара также осуществляется путем подачи по меньшей мере одной струи воды под давлением в направлении потока пара, который может сопровождаться одной, или более струй пара внутри расширительной камеры, в которой поток пара замедлился и скорость капель по меньшей мере одной струи воды больше, чем скорость потока водяного пара.

В устройстве для обессоливания путем сжатия струи воды вращательная кинетическая энергия подается по меньшей мере к одному потоку пара путем подачи по меньшей мере одной струи воды под давлением, которая может сопровождаться по меньшей мере одной струей пара, причем направление этой струи тангенциально к направлению текущей трубы потока пара, который протекает от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности, так что эта по меньшей мере одна тангенциальная струя придает вращение потоку пара, что приводит к увеличению общей кинетической энергии струи первичного насыщенного пара, которая преобразуется в потенциальную энергию вторичного насыщенного пара, что тем самым обеспечивает необходимое повышение давления и температуры, причем этот процесс осуществляется внутри расширительной камеры, в которой поток пара замедлился так, что капли струи воды не действуют в качестве тормоза на поток пара или на другое пространство без физических барьеров, которые ограничивают поток пара от испаряющей к конденсирующей поверхности. Струи, подающие вращательную кинетическую энергию, должны поддерживать центр трубы потока пара свободным от препятствий в виде воды, чтобы пар мог протекать с максимально возможной физической скоростью и с самым высоким возможным расходом на всем пути между испаряющей и конденсирующей зонами при нахождении по меньшей мере одного беспрепятственного пути или пространства.

Подвод поступательной кинетической энергии может быть использован для запуска системы, для поддержания оптимального градиента температуры между испаряющей и конденсирующей поверхностями устройства для обессоливания путем сжатия струи воды, и для подачи рабочей поступательной кинетической энергии в конфигурации с расширительной камерой для потока пара. Подвод вращательной кинетической энергии может быть использован для достижения более высоких расходов и эффективности устройства для обессоливания путем сжатия струи воды. Система для обессоливания путем сжатия струи воды основана на подаче поступательной и вращательной кинетической энергии или обеих по меньшей мере с одним беспрепятственным путем для потока пара в сочетании с высокоэффективным обменником скрытой теплоты, который обеспечивает высокие коэффициенты передачи и низкие градиенты температуры между вторичным паром и водным раствором, который должен быть обессолен, и обеспечивает обессоливание или очистку водных растворов с удельным потреблением энергии, близким к теоретическому минимуму, а также обеспечивает обессоливание или очистку воды при комнатной температуре, без подвода тепла.

Обессоливание при комнатной температуре позволяет устройству для обессоливания путем сжатия струи воды уменьшить явления минеральной кристаллизации и осаждения. Устройство для обессоливания путем сжатия струи воды работает в условиях вакуума, что снижает быстрое разрастание биопленок внутри. Следовательно, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды требует малой предварительной обработки жидкости, которая должна быть обессолена, поэтому содержание химических продуктов в полученном соленом растворе резко снижается по сравнению с существующими методами мембранного обессоливания или обессоливания с фазовым переходом.

Небольшие инвестиции, необходимые для предварительной обработки раствора, который должен быть обессолен, позволяют работать с широким диапазоном коэффициентов восстановления. Пользователь может выбрать диапазон восстановления для использования в соответствии со своими экологическими и экономическими приоритетами.

Низкие коэффициенты восстановления, то есть извлечения небольшого процента пресной воды из собранной морской воды, позволяют снизить стоимость удельной энергии за счет работы с более низкими значениями точки кипения и позволяют незначительно увеличить соленость соленого раствора, что с учетом низкого содержания химических продуктов, резко снижает воздействие на окружающую среду соленого раствора, возвращаемого в окружающую среду. Такое снижение токсичности соленого раствора и низкое удельное потребление энергии открывают двери к действительно экологичному и рациональному глобальному обессоливанию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более подробное объяснение изобретения приведено в нижеследующем описании с учетом приложенных чертежей.

На Фиг. 1 показана схема конфигурации устройства для обессоливания путем сжатия струи воды с подводом поступательной кинетической энергии и боковым вводом пара.

На Фиг. 2 показана схема стенки высокоэффективного обменника скрытой теплоты.

На Фиг. 3 показана схема конфигурации устройства для обессоливания путем сжатия струи воды с подводом вращательной кинетической энергии.

На Фиг. 4 показана схема конфигурации устройства для обессоливания путем сжатия струи воды с подводом поступательной кинетической энергии и с подводом вращательной кинетической энергии и

на Фиг. 5 показана схема конфигурации устройства для обессоливания путем сжатия струи воды с расширительной камерой для потока водяного пара, в которую подается поступательная и вращательная кинетическая энергия.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сжатие струи воды, применяемое для обессоливания морской воды или очистки другого водного раствора, представляет собой систему обессоливания с фазовым переходом без внешнего подвода тепла. Это основано на обеспечении поступательной кинетической энергии, вращательной кинетической энергии или обеих к потоку первичного насыщенного пара, который протекает от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности, чтобы увеличить его давление и температуру и образовать вторичный насыщенный пар, без создания барьеров потоку пара, т.е. барьеров, снижающих скорость и расход потока пара.

Для достижения большей эффективности путем работы с низкими градиентами температуры между испаряющей и конденсирующей поверхностями вместо используемых сегодня обменников скрытой теплоты с тонким слоем воды, которые имеют коэффициент обмена скрытой теплоты приблизительно 2000 Вт/м²K, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды может содержать по меньшей мере один высокоэффективный обменник скрытой теплоты с трубами или камерами 1 и кожухом 2 с коэффициентом обмена скрытой теплоты выше 10000 Вт/м²K.

Как показано на фиг. 1, обменник включает трубы или камеры 1 обменника скрытой теплоты в вертикальном положении с системой подачи водного раствора 3, который должен быть обессолен, которая вводит жидкость, которая должна быть обессолена, через внутреннюю испаряющую поверхность труб или камер 1, а соленой раствор, образующийся в результате процесса испарения, и первичный водяной пар 5, испарившийся на внутренней испаряющей поверхности труб или камер 1, выходят в камеру 6 для сбора через нижнюю внутреннюю часть 4 труб или камер.

На фиг. 2 показана схема стенки трубы или камеры 1 высокоэффективного обменника скрытой теплоты, имеющего следующие характеристики: морская вода, которая должна быть обессолена, или водный раствор, из которого требуется извлечь воду, приобретает криволинейную границу раздела жидкость-газ на всем своем протяжении, т.е. образует мениски 18 внутри микроканавок, которые покрывают по меньшей мере частично испаряющую поверхность труб или камер обменника скрытой теплоты.

- Водяной пар, подаваемый в камеру конденсации, конденсируется и приобретает криволинейную границу раздела жидкость-газ на всем своем протяжении, т.е. образует мениски 19 воды внутри микроканавок или иной капиллярной структуры, которые покрывают по меньшей мере частично конденсирующую поверхность труб или камер обменника скрытой теплоты.

- Скрытая теплота, выделяющаяся в процессе конденсации пара, поглощается процессом испарения, проходящим по пути 20, свободному от слоев воды. Слой воды имеет низкий коэффициент передачи тепловой энергии. Отсутствие теплоизолирующих слоев воды вдоль пути 20 обеспечивает высокий коэффициент передачи скрытой теплоты и позволяет сделать очень малой разность температур между жидкостью, которая должна быть испарена, на испаряющей поверхности 18 и конденсируемым паром на конденсирующей поверхности 19. Следует отметить, что цикл испарения и конденсации может быть получен из градиентов между первичным насыщенным паром и вторичным насыщенным паром от 10 Па для водных растворов с низкой соленостью и от 40 Па для морской воды с соленостью 35 г/кг и температурой приблизительно 20°С.

- Скрытая теплота конденсации на 100% рециркулируется и преобразуется в скрытую теплоту испарения.

Первичный пар образуется на испаряющей поверхности обменника скрытой теплоты. Процесс испарения имеет взрывной характер в том смысле, что объем образуемого пара приблизительно в 33000 раз превышает объем испаряемой воды, а в условиях вакуума, без неконденсирующихся газов, скорость этого расширения ограничена только звуковым пределом для водяного пара при его температуре.

Вторичный пар конденсируется на конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты. Процесс конденсации является имплозивным в том смысле, что объем пара приблизительно в 33000 раз больше, чем объем воды, образующейся в результате конденсации, а в условиях вакуума, без неконденсирующихся газов, скорость этой имплозии ограничена только звуковым пределом для водяного пара при его температуре.

При отсутствии барьеров и до тех пор, пока существует градиент температуры между вторичным паром, который конденсируется на конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты, и водным раствором, который должен быть испарен на испаряющей поверхности, скорость звука является пределом скорости потока пара, который протекает из зоны имеющего взрывной характер испарения в зону имплозивной конденсации. Современные устройства сжатия первичного пара создают барьеры для потока пара, протекающего от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности, такие как лопасти вентилятора или нагнетателя, камеры компрессора или водяной конус инжектора. Эти барьеры сильно снижают скорость потока вторичного пара и ограничивают расход потока пара, т.е. способность обессоливания существующих устройств, и ограничивают их энергоэффективность. Устройство для обессоливания путем сжатия струи воды оставляет безбарьерный открытый путь для перетока пара от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности или использует расширительную камеру для потока водяного пара, чтобы добиться снижения скорости потока водяного пара ниже скорости капель по меньшей мере одной струи воды.

Как показано на фиг. 1, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды основано на подводе поступательной кинетической энергии и имеет свободное от препятствий боковое отверстие для струи пара, причем устройство также включает:

- по меньшей мере один нагнетательный насос 13 для воды, который подает воду под давлением по меньшей мере к одной насадке 7, которая формирует струю 8 воды в направлении потока пара, имеющую скорость и дисперсию мелких капель, необходимые для увлечения части первичного пара 5 и придания ему скорости, тем самым создается двухфазный поток 17 вода-пар внутри патрубка 9 ускорения пара;

- по меньшей мере один патрубок, который направляет поток воды 14 под давлением от нагнетательного насоса 13 по меньшей мере к одной насадке 7 давления, размещенной внутри камеры 6 для сбора или внутри по меньшей мере одного патрубка 9 ускорения пара;

- по меньшей мере один патрубок 9 ускорения пара, в который по меньшей мере одна насадка 7 выбрасывает струю 8 воды в направлении потока пара;

- по меньшей мере одну насадку 7 давления, формирующую струю 8 воды, которая увлекает и обеспечивает скорость по меньшей мере части первичного водяного пара 5, в результате чего образуется двухфазная смесь 17, содержащая воду из струи 8 и увлеченный водяной пар;

- патрубок 9 ускорения пара, находящийся внутри патрубка 21, который окружает его так, что первичный пар 5 может поступать внутрь патрубка 9 ускорения пара через по меньшей мере одно впускное боковое отверстие 22 с беспрепятственным путем для потока водяного пара;

- по меньшей мере одну камеру 10 разделения фаз с распылителем, в которую двухфазная смесь 17 поступает так, что кинетическая энергия, накопленная в двухфазной смеси 17, в виде скорости, частично преобразовывается в потенциальную энергию в виде энергии давления пара, в результате чего вторичный насыщенный пар 16 имеет более высокие давление и температуру, чем первичный насыщенный пар 5. Поскольку увеличение давления и температуры вторичного пара происходит в присутствии тумана из капель воды в жидкости фазе перегрева пара не происходит. Эта по меньшей мере одна камеру 10 разделения фаз с распылителем также может иметь функцию туманоуловителя, и после потери скорости двухфазной смеси 17 брызги или капли жидкости задерживаются в сетке туманоуловителя, в отпотевателе 15 или в барьерах, задерживающих капли воды. Эта сетка туманоуловителя может не понадобиться в зависимости от геометрии камеры 10 разделения фаз с распылителем. Камера 10 разделения фаз с распылителем содержит по меньшей мере один выходной патрубок 16 для вторичного пара в камеру 11 конденсации и по меньшей мере один патрубок 12 для отвода воды, через который извлекается оставшаяся вода, поданная струей воды 8;

- камеру 11 конденсации, в которую поступает вторичный насыщенный водяной пар 16. В камере 11 конденсации находится внешняя конденсирующая поверхность труб или камер 1 высокоэффективного обменника скрытой теплоты, причем на этой конденсирующей поверхности конденсируется вторичный насыщенный водяной пар 16. Вторичный насыщенный водяной пар 16 имеет температуру и давление большие, чем у первичного пара 5, при этом увеличение давления зависит от давления первичного насыщенного пара 5.

Как показано на фиг. 3, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды основано на подводе вращательной кинетической энергии, причем устройство также включает:

- по меньшей мере один нагнетательный насос 13 для воды, который через по меньшей мере один патрубок 14 давления, питает по меньшей мере одну насадку 25 давления, которая формирует струю 26 воды, тангенциальную к потоку пара 5, который протекает от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности внутри патрубка 23 для подачи вращательной кинетической энергии;

- по меньшей мере одну тангенциальную струю 26 воды, представляющую собой струю с давлением, расходом и направлением, которые поддерживают центральную часть потока 24 водяного пара свободной от капель воды и образуют вращательное, спиральное движение потока 27 пара по внутреннему пути 24 свободному от капель воды. Центробежные силы потока 27 пара способствуют отделению жидкостей с более высокой плотностью наружу от вращательного спирального потока, что вызывает отсутствие препятствий в средней и центральной части 24 спирального потока 27, через которую поток пара, который получает кинетическую энергию вращения, беспрепятственно циркулирует;

- поток 27 пара, накапливающий вращательную энергией, которую он принимает от тангенциальных струй 26, и эта вращательная энергия постепенно преобразуется в большую потенциальную энергию водяного пара, образуя вторичный пар с более высокой температурой и давлением, чем у первичного пара. Поскольку это преобразование энергии происходит в присутствии капель воды, пар остается насыщенным и явление перегрева пара не наблюдаются;

- по меньшей мере одну тангенциальную струю 26 воды, которая может быть добавлена через по меньшей мере один тангенциальный впуск первичного пара, приводимого в движение вентилятором или нагнетателем, который обеспечивает большую вращательную кинетическую энергию для спирального потока 27.

Как показано на фиг. 4, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды основано на сочетании подвода поступательной кинетической энергии и вращательной кинетической энергии, причем устройство также включает:

- по меньшей мере один инжектор, питаемый по меньшей мере от одного нагнетательного насоса 13, который питает по меньшей мере одну насадку 7, которая формирует по меньшей мере один поток 8 воды, аксиальный к потоку пара внутри по меньшей мере одного патрубка 9 ускорения, который может иметь или не иметь боковые отверстия 22, так как устройство для обессоливания путем сжатия струи воды в этой конфигурации имеет безбарьерный поток пара через по меньшей мере один второй патрубок 23, через который протекает спиральный поток 27. Этот аксиальный поток 8 воды обеспечивает запуск устройства обессоливания путем сжатия струи воды путем легкого и быстрого создания управляемого градиента давления и температуры между первичным паром 5 и вторичным паром, хотя способность управления потоком через эту по меньшей мере одну струю 8 воды в направлении потока пара ограничена барьером, создаваемым самой струей 8 воды к потоку первичного пара 5. Эта струя 8 воды в направлении потока пара может оставаться активной во время рабочей фазы обессоливания для обеспечения постоянного градиента температуры между первичным паром 5 у выпуска испарителя и вторичным паром на конденсирующей поверхности;

- по меньшей мере один патрубок 23 для подачи вращательной кинетической энергии по меньшей мере с одним инжектором 25 для воды, который формирует по меньшей мере одну струю 26 воды, тангенциальную к первичному потоку 5 пара, что образует спиральный поток 27. Центральная часть 24 спирального потока 27 не содержит капель воды, таким образом обеспечивается беспрепятственный путь 24 для потока пара, который протекает от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности.

Эта конфигурация, сочетающая по меньшей мере один спиральный поток 27 и по меньшей мере один аксиальный поток 8, обеспечивает быстрый запуск, обеспечивает контроль градиента температуры во время работы и обеспечивает управление объемом потока пара за счет спирального потока 27 и беспрепятственного пути 24 для пара.

Как показано на фиг. 5, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды основано на подводе поступательной кинетической энергии, подводе вращательной кинетической энергии или обеих к потоку пара внутри расширительной камеры для потока пара. Устройство также включает:

- по меньшей мере одну расширительную камеру 29 потока пара, которая имеет поперечное сечение большее, чем поперечное сечение по меньшей мере одной выходной трубы 31 для первичного пара из камеры 6 для сбора, и большее, чем поперечное сечение по меньшей мере одной входной трубы 32 для вторичного пара в камеру конденсации, при этом поперечное сечение по меньшей мере одной выходной трубы 31 для первичного пара из камеры для сбора равно или аналогично поперечному сечению входной трубы 32 для вторичного пара в камеру конденсации. Первичный пар 5 выходит из камеры для сбора, формируя поток 28 пара с высокой скоростью. Когда поток 28 пара достигает большего поперечного сечения в расширительной камере 29, его скорость снижается.

Конструкция постепенного увеличения поперечного сечения расширительной камеры обеспечивает возможность эффективного снижения скорости потока пара до достижения скорости ниже, чем скорость капель по меньшей мере одной струи 8 воды под давлением в направлении потока пара, которому это обеспечивает поступательную кинетическую энергию.

Внутри расширительной камеры 29 вращательная кинетическая энергия передается потоку пара, который протекает с более низкой скоростью и может лучше поглощать вращательную кинетическую энергию, посредством по меньшей мере одного инжектора 25 воды под давлением, размещенного тангенциально к потоку пара, для подачи струи 26 воды, тангенциальной к потоку пара, которому она обеспечивает вращение.

Поступательная кинетическая энергия и вращательная кинетическая энергия обеспечены внутри расширительной камеры 29 к потоку пара путем объединения по меньшей мере одной струи 8 воды под давлением в направлении потока пара и по меньшей мере одной струи 26 воды под давлением, тангенциальной к потоку пара.

Постепенное снижение поперечного сечения расширительной камеры 29 до тех пор, пока оно не достигнет поперечного сечения входной трубы 32 для вторичного пара в камеру 11 конденсации, позволяет потоку пара восстановить свою высокую скорость, что дает рост потока 30 вторичного пара с высокой скоростью, а кинетическая энергия, обеспечиваемая внутри расширительной камеры, преобразуется в более высокие давление и температуру вторичного насыщенного водяного пара 16.

Водный раствор 3, который должен быть обессолен или очищен, может быть обессолен или очищен при комнатной температуре. Устройство для обессоливания путем сжатия струи воды не требует минимальной рабочей температуры.

Требуемый небольшой перепад давления, необходимый между первичным насыщенным водяным паром на испаряющей поверхности 5 и вторичным насыщенным водяным паром на конденсирующей поверхности 16, устройство для обессоливания путем сжатия струи воды может получить посредством описанной системы подвода вращательной кинетической энергии, и может запускать и поддерживать градиент температуры строго контролируемым образом посредством описанной системы подвода поступательной кинетической энергии. Таким образом, основная работа, подводимая к системе, представляется в виде воды под давлением посредством насоса для воды, а в качестве дополнительного способа, посредством вентилятора или нагнетателя также может подаваться пар под давлением.

Обессоливание путем сжатия струи воды обеспечивает возможность обессолить морскую воду или извлечь воду из других водных растворов с низким удельным потреблением энергии, примерно на 0,5 кВтч/м³ выше удельной работы, связанной с ростом точки кипения в зависимости от солености раствора, который должен быть обессолен или очищен. Это низкое удельное потребление в сочетании с низкой токсичностью соленого раствора, возвращаемого в окружающую среду, обеспечивает возможность для действительно рациональной высокопроизводительной системы обессоливания.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

(1) - Трубы или камеры обменника скрытой теплоты

(2) - Кожух

(3) - Подвод водного раствора или морской воды, которая должна быть обессолена или очищена

(4) - Нижняя часть труб или камер, выпуск соленого раствора и испаренного водяного пара

(5) - Первичный насыщенный водяной пар

(6) - Камера для сбора

(7) - Насадка для воды под давлением

(8) - Струя воды

(9) - Патрубок ускорения пара

(10) - Камера разделения фаз с распылителем

(11) - Камера конденсации

(12) - Выходной патрубок, отвод воды

(13) - Нагнетательный насос для воды

(14) - Поток воды под давлением

(15) - Туманоулавливающее устройство

(16) - Вторичный насыщенный водяной пар

(17) - Смесь двух фаз воды и увлеченного пара

(18) - Мениски испаряющей поверхности

(19) - Мениски конденсирующей поверхности

(20) - Путь для тепловой энергии

(21) - Камера, окружающая патрубок ускорения пара

(22) - Впускное боковое отверстие для первичного пара в патрубке ускорения пара

(23) - Труба подачи вращательной кинетической энергии

(24) - Беспрепятственный путь для пара в центральной части спирального потока

(25) - Тангенциальная насадка для воды под давлением

(26) - Тангенциальный поток воды под давлением

(27) - Спиральный поток пара

(28) - Высокоскоростной первичный поток пара

(29) - Расширительная камера

(30) - Высокоскоростной вторичный поток пара

(31) - Выходная труба для первичного пара из камеры для сбора

(32) - Входная труба для вторичного пара в камеру конденсации.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системе и устройстве для обессоливания путем сжатия струи воды, которая представляет собой обессоливание с фазовым переходом с высокоэффективным обменником скрытой теплоты, в котором давление первичного насыщенного пара повышается до получения вторичного насыщенного пара путем введения поступательной и вращательной кинетической энергии через струи воды под давлением, чтобы обеспечить беспрепятственный путь, через который пар протекает с высокой скоростью, чтобы достичь высокого расхода и высокой эффективности. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для обессоливания путем сжатия струи воды, содержащее:

по меньшей мере один обменник скрытой теплоты из труб или камер (1), находящийся в кожухе (2) и содержащий:

систему подачи с впускным отверстием (3) для водного раствора или морской воды для обессоливания или очищения,

испарительную камеру, содержащую внутреннюю испаряющую поверхность указанных труб или камер (1), соединяющих впускное отверстие (3) для водного раствора или морской воды с выпускным отверстием для испаренного водяного пара,

камеру (11) конденсации, содержащую внешнюю конденсирующую поверхность труб или камер (1),

камеру (6) для сбора, выполненную с возможностью сбора первичного водяного пара (5), полученного в испарительной камере,

по меньшей мере одно выпускное отверстие для первичного водяного пара (5) и

по меньшей мере одно впускное отверстие для вторичного водяного пара (16) в камеру (11) конденсации; и

по меньшей мере один путь для пара от указанного по меньшей мере одного выпускного отверстия для первичного пара (5) к указанному по меньшей мере одному впускному отверстию для вторичного пара (16);

отличающееся тем, что устройство для обессоливания также содержит по меньшей мере один нагнетательный насос (13) для жидкой воды, который обеспечивает давление для потока воды (14), по меньшей мере одну насадку (7), (25) давления, выполненную с возможностью получения струи (8), (26) жидкой воды в указанном по меньшей мере одном пути для пара, причем при использовании указанная струя (8), (26) жидкой воды применяется к первичному водяному пару (5) при его перемещении через указанный путь для пара, причем скорость капель струи (8), (26) жидкой воды больше, чем скорость первичного водяного пара (5), с привнесением кинетической энергии в первичный водяной пар (5) и обеспечением возможности роста вторичного насыщенного пара (16), конденсирующегося на конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты;

причем указанный по меньшей мере один путь для пара является по меньшей мере одним беспрепятственным путем (22), (24) для пара от испаряющей поверхности к конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты, через который пар протекает с большой скоростью и расходом.

2. Устройство для обессоливания по п. 1, в котором испаряющая поверхность труб или камер (1) обменника скрытой теплоты покрыта микроканавками, в которых морская вода или водный раствор образует мениски (18), и первичный пар (5) испаряется с этой испаряющей поверхности,

при этом вторичный пар (16), подаваемый к конденсирующей поверхности труб или камер (1) обменника скрытой теплоты, конденсируется с образованием менисков (19) внутри микроканавок или другой капиллярной структуры, покрывающей конденсирующую поверхность труб или камер (1) обменника скрытой теплоты, и

при этом путь (20) для тепловой энергии между скрытой теплотой, выделяемой на конденсирующей поверхности, и скрытой теплотой, поглощаемой на испаряющей поверхности, не проходит через слои воды.

3. Устройство для обессоливания по п. 2, в котором по меньшей мере одна насадка (7) высокого давления, через которую выходит струя (8) воды с высокой скоростью и низким давлением, преобразует потенциальную энергию, в виде давления, в поступательную кинетическую энергию, в виде скорости, с тягой, необходимой для увлечения и продвижения первичного пара (5), которому она обеспечивает скорость и который испаряется с испаряющей поверхности обменника скрытой теплоты по меньшей мере в один патрубок (9) ускорения пара и создает смесь (17) воды и увлеченного пара, при этом по меньшей мере одна насадка (7) высокого давления расположена внутри или вблизи по меньшей мере одного патрубка (9) ускорения пара;

причем по меньшей мере один патрубок (9) ускорения пара находится внутри камеры (21), в которую обеспечено попадание первичного пара (5), и имеет по меньшей мере одно впускное боковое отверстие (22), через которое обеспечена возможность беспрепятственного попадания первичного пара (5) внутрь патрубка (9) ускорения пара,

по меньшей мере одну камеру (10) разделения фаз с распылителем, в которой завершается преобразование кинетической энергии в виде скорости двухфазной смеси (17) в потенциальную энергию в виде увеличения давления водяного пара, с образованием вторичного насыщенного водяного пара (16) более высоких давления и температуры, чем первичный насыщенный водяной пар (5),

причем камера (10) разделения фаз с распылителем содержит по меньшей мере один выпуск (16) для вторичного пара, подаваемого в камеру (11) конденсации, в которой он конденсируется на конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты.

4. Устройство для обессоливания по п. 2, в котором внутри по меньшей мере одной трубы (23) подачи вращательной кинетической энергии находится по меньшей мере одна насадка (25) для воды под давлением, которая формирует тангенциальную струю (26) воды к потоку первичного пара (5),

при этом тангенциальная струя (26) не подает воду в центральную часть (24) струи пара, а обеспечивает вращательную кинетическую энергию для струи пара, создавая спиральную струю (27), которая поглощает вращательную кинетическую энергию, обеспечиваемую по меньшей мере одной струей (26) воды,

причем вращательная энергия, накопленная в спиральной струе (27), преобразуется в потенциальную энергию в виде более высоких давления и температуры вторичного насыщенного пара, который конденсируется на конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты.

5. Устройство для обессоливания по п. 3, в котором внутри по меньшей мере одной трубы (23) подачи вращательной кинетической энергии находится по меньшей мере одна насадка (25) для воды под давлением, которая формирует тангенциальную струю (26) воды к потоку первичного пара (5),

при этом тангенциальная струя (26) не подает воду в центральную часть (24) струи пара, а обеспечивает вращательную кинетическую энергию для струи пара, создавая спиральную струю (27), которая поглощает вращательную кинетическую энергию, обеспечиваемую по меньшей мере одной струей (26) воды,

причем вращательная энергия, накопленная в спиральной струе (27), преобразуется в потенциальную энергию в виде более высоких давления и температуры вторичного насыщенного пара, который конденсируется на конденсирующей поверхности обменника скрытой теплоты.

6. Устройство для обессоливания по п. 2, в котором по меньшей мере одна выходная труба (31) для первичного пара (5) из камеры (6) для сбора имеет поперечное сечение, аналогичное или равное поперечному сечению по меньшей мере одной входной трубы (32) для вторичного пара (16) в камеру (11) конденсации;

при этом по меньшей мере одна расширительная камера (29) имеет поперечное сечение большее, чем поперечное сечение по меньшей мере одной выходной трубы (31) для первичного пара (5) из камеры (6) для сбора, и большее, чем поперечное сечение по меньшей мере одной входной трубы (32) для вторичного пара (16) в камеру (11) конденсации и внутри расширительной камеры скорость потока (26) первичного пара снижена;

при этом по меньшей мере один инжектор (25) для воды под давлением формирует по меньшей мере одну струю (8) воды под давлением в направлении потока пара с каплями, которые имеют скорость большую, чем скорость потока пара, которому они передают поступательную кинетическую энергию.

7. Устройство для обессоливания по п. 2, в котором по меньшей мере одна выходная труба (31) для первичного пара (5) из камеры (6) для сбора имеет поперечное сечение, аналогичное или равное поперечному сечению по меньшей мере одной входной трубы (32) для вторичного пара (16) в камеру (11) конденсации;

при этом по меньшей мере одна расширительная камера (29) имеет поперечное сечение большее, чем поперечное сечение по меньшей мере одной выходной трубы (31) для первичного пара (5) из камеры (6) для сбора, и большее, чем поперечное сечение по меньшей мере одной входной трубы (32) для вторичного пара (16) в камеру (11) конденсации и внутри расширительной камеры скорость потока (26) первичного пара снижена;

при этом по меньшей мере один инжектор (25) для воды под давлением формирует по меньшей мере одну струю (26) воды под давлением, тангенциальную к потоку пара, которому она придает вращение и обеспечивает вращательную кинетическую энергию.

8. Устройство для обессоливания по п. 6, в котором по меньшей мере один инжектор (25) для воды под давлением формирует по меньшей мере одну струю (26) воды под давлением, тангенциальную к потоку пара, которому она придает вращение и обеспечивает вращательную кинетическую энергию.