Фотоэлектрическая электродиализная установка Советский патент 1991 года по МПК B01D61/00 G05D27/00 

Изобретение относится к методам и средствам деминерализации воды, более конкретно к электродиализаторам, а именно к фотоэлектрическим электродиализным установкам.

Цель изобретения - повышение технико-экономических показателей.

На фиг. 1 и 2 изображены функциональная и электрическая схема предлагаемой установки; на фиг. 3 - резервуар исходной воды, сечение; на фиг. 4-6 - терморегулируемый клапан, вид спереди и вид сверху, а также расположение терморегулируемого клапана в напорно-всасывающем трубопроводе.

Фотоэлектрическая электродиализная установка (фиг. 1-3) - содержит солнечную батарею 1, к клеммам 2 и 3 которой посредством шин 4 и 5 токопровода подключены

электродиализатор 6 и электронасос 7, соединенные между собой напорно-всасываю- щим трубопроводом 8 через резервуар 9 исходной воды и выходными трубопроводами 10 и 11 электродиализатора 6 с накопительным баком опресненной воды 12 и баком 13 сбора рассола, а также магнитоуп- равляемые контакты 14-17 и концентратор 18, в фокусе которого размещена солнечная батарея 1, установленная на напорном трубопроводе 8 перед терморегулируемым клапаном 19, который выполнен с термочувствительным и регулирующим элементами в виде пластины 20 на основе термочувствительного сплава, например никель-титан, причем пластина 20 круглой формы и размещена своей лицевой и тыльной поверхностями 21 и 22 вдоль оси напорного трубопровода 8, а две диаметО

ел

Сл) СО

О

ы

рально противоположные точки 24 и 25 окружности пластины 20 соединены со смежными точками внутренней поверхности трубопровода 8 посредством прямоугольных упоров 26 и 27, изготовленных на основе упомянутого термочувствительного сплава, фотоэлектрическая электродиализная установка снабжена электромагнитом 28, а магнитоулравляемые контакты 14-17 состоят из трех переключающих 14-16 и одного размыкающего 17 контактов, расположенных в герметичных корпусах напротив поплавков 29-31 с постоянными магнитами 32-34 (фиг.2) вдоль внутренней направляющей 35 резервуара 9 следующим образом: первый и второй переключающие контакты 14 и 15 - напротив поплавка 29, заключенного между двумя ограничителями 36 и 37 на середине направляющей 35, третий переключающий контакт 16, имеющий также электромагнитную связь с электромагнитом 28, - напротив поплавка 30, заключенного между двумя ограничителями 38 и 39 в верхней части направляющей 35, а размыкающий контакт 17 - между двумя ограничителями 40 и 41 в нижней части направляющей 35. Кроме того, фотоэлектрическая электродиализная установка на фиг. 1,2 снабжена двумя дополнительными за мыкающими магнитоуправляемыми контактами 42 и 43. один из которых (контакт 42) установлен в напорном трубопроводе 8 непосредственно после терморегулируемого клапана 19. второй (контакт 43) - в выходном трубопроводе 10, соединяющем элект- родиалиэатор 6 с накопительным баком 12, а включены они между шинами 4 и 5 токо- провода солнечной батареи 1, образованной первым переключающим контактом 14, электродами 44 электродиализатора 6 (фиг.З) и вторым переключающим 15 контактом, причем нормально замкнутый контакт первого переключающего 14 подключен к нормально разомкрутому контакту второго лереключающего 15 и наоборот.

Для раскрытия технической сущности предлагаемого изобретения необходимо отметить следующее. Основными технико- экономическими показателями, определяющими качество работы фотоэлектрической электродиализной установки являются надежность установки при заданной степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора, а также стоимость установки и ее эксплуатации. Факторами, обуславливающими повышение стоимости установки и ее эксплуатации, являются мощность солнечной батареи (чем больше значение мощности солнечной батареи, тем она дороже, следовательно и выше стоимость установки), частая смена мембран электродиализатора, из-за малого срока их службы определяемых явлениями

осадкообразования и отравления мембран, последнее повышает стоимость электродиализатора, следовательно и всей установки. Факторами, снижающими надежность установки, являются также осадкообразова0 ния и отравление мембран электродиализатора, длительное токопрохождение через обмотку электродвигателя насоса при заполнении большого объема резервуара исходной воды приводит к перегреву обмотки

5 электродвигателя насоса, следовательно и к возрастанию вероятности теплового пробоя изоляции обмоток электродвигателя насоса. Влияние повышенной температуры на мембраны электродиализатора также

0 обуславливает вероятности их преждевременного выхода из эксплуатации, следовательно и снижение надежности установки. Эксплуатация фотоэлектрических электродиализных установок происходит в жестких

5 климатических условиях, например пустынях, а специфика эксплуатации аналогичных установок заключается именно в том, что установки подвергаются воздействию повышенных температур летом до 70°С и вы0 ше резких перепадов температур термоцикл день и ночь), все это в значительной мере влияет и на другие агрегаты установки - резервуар исходной воды, несущая конструкция солнечной батареи. В этих

5 агрегатах под воздействием температур возникают микротрещины, снижается механическая прочность и герметичность резервуара, причем чем больше их габариты, тем больше вероятность появления таких

0 дефектов и отказов.

Наряду с этим необходимо отметить, что эксплуатация фотоэлектрической электродиализной установки в течение светового дня сопровождается неравномерным

5 поступлением солнечного излучения и должна осуществляться при заданных параметрах установки, т.е. получение заданной степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиалиэатора при измене0 ниях производительности установки или получение заданной производительности установки при изменениях степени минерализации.

С учетом изложенного выше целесооб5 разны оценка производительности электродиализатора, оценка степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора, оценка взаимосвязи этих параметров. Корректная оценка установления взаимосвязи параметров установки с

производительностью или степенью минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора базируется на энергетическом балансе, учитывающем зя-раты энергии и мощности в предлагаемой ста- новке на обеспечение заданной степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора, на основании проведенных экспериментальных данных установлено:

г .„ Q™ -p-g -hi ()

Сэад ОЭДУ Уэду F А 11)

где Сзвд - заданная степень минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора, (кг экВ) м ;

О™ - расход воды терморегулируемого клапана мч ;

ОЭДУ - производительность воды на выходе электродиализатора м ч .

F - постоянная Фарадея, Кл (кг экВ) .

р - плотность исходной воды, кг

g - ускорение свободного падения, м- с 2;

hi - перепад высоты между нижними частями резервуара и электродиапизатора. м:

rj- выход по току.

И наоборот, при заданной производи тельности воды на злектродиализа- торэ - ОэдУзад имеем

дня, Поэтому стабильность поддержания значений Сэад и Оэдузад в соответствую щих режимах эксплуатации предлагаемой установки обесг :N-A отся за счет того чгг произведение вегк

Ом (Оэду ,,-) ; -СКл (0.;«

НЭДУ 1СБ4 - Const.(3)

где РЭДУ - элегическое сопротивление между электродами мембран электрсдиали- затора при наличии в нем ИСУСДЬОЙ воды

ICB - электрический ток, генерлруемыи солнечной батареей.

в первом режиме и произведение велич

Окл (С -иэду) - Q™ (С- Раду -irj;)1 - - const .iА

во втором режиме должно тгкже остЗваться постоянным Для этого необходимо, чтобы значение ОкЛ и его изменение в течение светового дня было взаимообразным значениям величин заключенным в круглых скоб

«ах выражений (3) и (4). В свою очередь 0«л терморегулируемого клапана можно описать следующим выражением

30 °«

ТКЛР (Т„«с - Тмин ) г Д5

-V-г---t

7

ЕКЛР-ЛТ S, г

At

(5)

Изобретение относится к опреснительным установкам, использующим солнечную энергию. Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей. Фотоэлектрическая электродиализная установка содержит солнечную батарею к клеммам которой подключены электродиализатор и электронасос, соединенные тру бопроводом с резервуаром исходной воды накопительным баком опресненной воды и баком сбора рассола. Новым в установке является то, что она снабжена магнитоуп- равляемыми «онгактами. концентратором и терморегулируемым клапаном, параметры которого взаимосвязаны экспериментально определенным аналитическим соотношением с параметрами электродиализатора, причем солнечная батарея и участок напорно-всэсывающего трубопровода перед терморегулируемым клапаном размещены в фокусе концентратора 6 ил (Л С

ОэДУзад

Окя р g hi q

С Уэду F А

где ОэдУзад заданная производительность воды на выходе электродиализатора, м3

С - степень минерализации опресняв- мой воды на выходе электродиализатора, (кг -экВ)

Лэду . Окл .tj-p.g, hi.F, A - обозначения аналогичных параметров по (1) данного описания.

Анализируя выражения (1) и (2) отметим, что в первом случае (выражение 1) отмечается режим установки с заданной степенью минерализации опресняемой воды - Сэад.. но производительность ОЭДУ в течение све- тового дня изменяется. Во втором случае (выражение 2) алгоритм функционирования предлагаемой установки позволяет достигнуть режим заданной производительности ОэдУзад ПРИ изменении степени минерали- зации опресняемой воды в течение светового дня. Следует отметить и то, что в выражениях (1) и (2) значения величин сомножителей ;, hi, р, д. F. А остаются практически неизменными в течение светового

35 где Q

о

45

50 55

расход воды терморегулируемого клапана, м ччУ

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения материала терморегулируемого клапана,1 -К ,

Тмин, Тмакс, А Т - пределы и интервал рабочих температур терморегулируемого клапана. К.

So - площадь проходного сечения тру бопровода, определяемая пластиной терморегулируемого клапана при температуре

+ Тмакс 1ср

-г Тмин ICD

г- радиус трубопровода,внутри которо го расположен терморегулируемый клапан:

AS - изменение площади проходного сечения трубопровода в месте расположе ния терморегулируемого клапана в интервале температур ТМим и ТМакС;

At - время работы клапана, с

Таким образом, изменение температуры исходной воды, поступающей из резервуара по трубопроводу через терморегулируемый клапан позволяет управлять расходом воды на входе электродиализатора и обеспечить

тем самым выполнение соотношений выражений (1)-(5). Что же касается нагрева или подогрева исходной воды, поступающей на вход электродиализатора, необходимой для нормального функционирования в установленном интервале температур терморегулируемого клапана, исходную воду из резервуара пропускают через трубопровод, расположенный вдоль линейного фокуса солнечной концентрирующей системы, например параболоцилиндрического концентратора.

Установка работает следующим образом.

При отсутствии солнечного излучения Ф-0 и температуре окружающей среды Т Тср. в предлагаемой установке на выходе солнечной батареи, а именно клеммах 2 и 3 (фиг.1) отсутствуют электрическое напряжение (ОвыУ - 0) и выходная электрическая мощность (Рвых. 0). Поэтому подключенные к шинам 4 и 5 токопровода (фиг.2) солнечной батареи 1 электродиалиэатор 6 и электронасос 7 не работают. Следовательно, соленая вода из водоисточника через напорно-есасывающий трубопровод 8 не поступает в резервуар 9 исходной воды и электродиалиэатор 6. При этом у магнитоуп- равляемых контактов 14,16,15 и 17 поплавки 29-31 с закрепленными на них постоянными магнитами 32-34 расположены вдоль внутренней направляющей 35 резервуара 9 (фиг.З), причем поплавки 29-- с магнитами 32-34 находятся ближе к нижним ограничителям 37, 39 и 41 в середине, верхней и нижней частях направляющей 35. Поэтому будут следующие состояния магнитоуправляемых контактов 14-17: у переключающих 14 и 15 подключены общий и нормально-замкнутые контакты, у переключающего 16 подключены общий и норма л ь- но-эамкнуть ч контакты, а у замыкающего 17 контакты разомкнуты. Также разомкнуты контакты магнитоуправляемых контактов 42 и 43 (причем в рабочем состоянии первый контакт 43 срабатывает от давления воды на входе электродиализатора б, а второй контакт 42 срабатывает от уровня воды в выходном трубопроводе (10). Что же касается положения пластины 20 терморегулируемого клапана 19 (фиг. 4-6), то она занимает положение, показанное пунктиром на фиг. 6. в этом случае проходное сечение трубопровода 8 перекрыто в максимальной степени, так как для пластины 20 на основе термочувствительного сплава никель-титан (сплава памяти формы) при температуре Тмин, задана форма и ее размеры увеличены, а в смежных точках внутренней поверхности трубопровода 8 упоры 26 и 27

закреплены неподвижно, например неразъемным соединением в виде сварки.

При включении оператором контакта Вкл. (фиг.1)и наличии солнечного излучения

на электродах 2 и 3 солнечной батареи 1 появляются электрическое напряжение Увых & 0 и электрическая мощность Р 0. Поэтому подключенный к шинам 4 и 5 токопровода солнечной батареи 1 электронасос

0 7 работает. Тогда соленая вода из водоисточника (фиг.1) по напорно-всасывающе- му трубопроводу 8 поступает в резервуар 9 исходной воды и по мере его заполнения водой начинают срабатывать магнитоуправ5 ляемые контакты, сначала замыкающий контакт 17 при приближении поплавка 31 с магнитом 34 к ограничителю 40 в нижней части направляющей 35 (фиг.З) и тем самым образуется последовательная цепь - кон0 такт 17 и обмотка электромагнита 28 (фиг.2). Далее соленая вода из резервуара 9 по трубопроводу 8, размещенному в фокусе концентратора 18, нагреваясь до температуры Т ТСр, через терморегулируемый клапан 19

5 поступает на вход электродиализатора 6. при этом положение пластины 20 терморегулируемого клапана начинает изменяться до тех пор, пока расход кт.апэна 19 Опя не обеспечит внутри трубопровода 8 перед

0 терморегулируемым клапаном 19 температуру исходной соленой воды не более 50°С. Затем эта вода под давлением не менее (0,3-3) 104 кг на входе электродиализатора 6 (заданное давление на входе электро5 диализатора 6 достигается за счет выбора перепада высоты между нижними частями резервуара 9 и электродиализатора 6 с учетом гидравлических потерь в последнем) приводит к смещению упругого элемента

0 (пластины) с магнитом (упругий элемент и магнит на фиг. 1-6 не показаны) так как вдоль дополнительного магнитоуправляе- мого контакта 42. следовательно, к его срабатыванию и замыканию его контакта 42

5 (фиг.1 и 2). Далее нагретая в фокусной зоне концентратора 18 вода с температурой не более 50°С поступает на вход мембранных камер электродиализатора Ј, с выхода мембранных камер электродиалиэатора 6 оп0 ресняемая вода по выходным трубопроводам 10 и 11 поступает соответственно в накопительный бак 12 опресняемой воды и бак 13 сбора рассола. Заполнение водой выходного трубопровода

5 10 электродиализатора 6 приводит к срабатыванию магнитоуправляемого замыкающего контакта 43 (фиг. 1 и 2), принцип работы которого аналогичен работе контактов 14-16 (на фиг. 1 и 2 поплавок с магнитом контактов 43 и 42 не показаны).

В этом случае электрическая цепь В-Г (фиг.2) электродиализатора 6 полностью замкнута и происходит процесс электроди ализа нагретой до 50°С опресняемой зоды. Направление полярносги тока от com. г ной батареи 1 в цепи В-Г (фиг.2). зависит or состояний магнитоуправляамых переключаю щих контактов 14 и 15, а именно: до середины заполнения водой исходного резервуара 9 одно направление тока, зторое - при уровне воды выше середины исходного резервуара, потчлавок 29 с магнитом 32 приближаются к ограничителю 36, направляющей 35 и замыкают общий и нормально разомкнутый контакты переключающих контактов 14 и 15 (фиг.2), поэтому происходит периодическое заполнение и переливание воды ич резервуара 9 по трубопроводу 8 в электродиализэтор 6 и далее осуществляет управление и реверсирование полярности тока в электродиализаторе 6. Заполнение водой резервуара 9 приводит к тому, что срабатывает переключающий контакт 16, т.е. замыкаются общий и нормально-разомкнутый контакты под действием поплавка 30 с магнитом 33, расположенные в верхней части направляющей 35. Отключается электронасос 7, одновременно с переключающим контактом 16 в цепи Д-Г (фиг.2) включена обмотка электромагнита 28, которая также связана с контактами 16 - общим и нормально-разомкнутым контактами - электромэгни гной связью и удер живает эти контакты 16 в замкнутом состоянии до тех пор, пока уровень воды в резервуаре 9 не станет ниже уровня ограничителя 40. Тогда поплавок 31 с магнитом 34 вернутся в исходное положение ближе к ограничителю 41. контакты 17 разомкнутся, цепь Д-Г (фиг.2). обесточится, поэтому электромагнитная связь с переключающим контактом 16 прекращается и контакты 16 также вернутся в исходное положение, включив электронасос 7 для нового заполнения водой резервуара 9 из водоисточника. Вышеописанное периодически повторяется в течение светового дня или до полного заполнения бака 12 опресненной воды или до преждевременного заключения оператором контакта Вкл..

Следует отметить и то.что в течение светового дня наблюдение за Солнцем осуществляет система слежения концентратора 18 (не показана), а также то. что изменение температуры в фокусе концентратора 18 Тф и тока электродиализатора 6 носят одинаковый характер. В связи с вышеизложенным температура нагрева воды в трубопроводе 8 до заданного интервала достигается выбором размеров и типа концентратора, в

данном случае использован параболоци- линдрическ и кснцентратср 18. Стабилизация температуры воды, поступающей в электродиализатор обеспечивается терморегулируемык у - . но л 19, а имен: о, положением п/ аеп-- „ Ь p. -р /бо-ччк с,,е есчи Тф возрастав .-.лед . ермог.сгу/лоу- емого клапана t ./« личмвается сксуосгь истечения воды . ;еэероуара 9 увеличивается так. что Ткл - j;)°C. если Т уменьшается, расход терморегулируемого клапана уменьшается, скорость истечения води из резервуара 9 также уменьшается, следовательно, время нагрева воды в фокусе концентрэторз 18 трубопровода 8 увеличивается, поэтому также 1™ 50°С. Для стабильной работы терморегулируемого клапана 19 в заданном интервале температур целесообразно задавать форму пластины 20 и упоров

26 и 27. на основе сплава памяти формы при Т$ Тмин, где Тмин - температура в фокусе концентратора 18 зимой, а также задавать вторую форму пластины 20 и упоров 26 и 27 при Т , Тмакс , где Тмякс. - температура в

фокусе концентратора 18 летом. Следует отметить и то. что благодаря расположению солнечной батареи 1 в фокусе концентратора 18 на трубопроводе 8 сокращается площадь, занимаемая фотопреобразователями следовательно, намного уменьшается стоимость солнечной батарее 1. При этом сохраняете стабильность параметров солнечной батареи 1 за сиет отвода тепла от фотопреобразователей водой, протекающей в трубопроводе 8.

Реверсирование тока электродиализатора 6 (периодическая смена полярности на электродах 44 электродиализатора 6) связано с одновременным переключением линий

опреснения и концентрирования посредством гидрораспределителя (не показан), установленного на выходе электродиализатора 6 и соединенного с выходными трубопроводами 10 и 11. Управление работой гидрораспоеделителя обеспечивается за счет того, что обмотка электромагнита гидрораспределителя подключена параллельно электродиализатору 6 непосредственно к электродам 44. Поэтому в зависимости от направления тока

через электродиализатор 6 изменяется и направление тока в обмотке электромагнита гидрораспределителя, золотник которого перекрывает своими задвижками (клапанами) закрыто-открыто соответственно линии опреснения и концентрирования мембранных камер электродиализатора 6.

Формула изобретения Фотоэлектрическая электродиализная установка, содержащая солнечную батарею, к выходам которой подключены электродиализатор и электронасос, соединенные между собой напорно-всасывающим трубопроводом через резервуар исходной воды, и выходным трубопроводом электродиализатора с накопительным баком для опресненной воды и баком сбора рассола, о т- личающаяся тем, что, с целью

8

Водоисточник,

Ъ «J

Риг. 2

повышения технико-экономических показателей, она снабжена концентратором и тер- моуправляемым клапаном, установленным в напорно-всасывающем трубопроводе перед электродиализатором, при этом солнечная батарея и участок напорно-всасывающего трубопровода перед термоуправляемым хлапа- ном размещены в фокусе концентратора.

4213

19™

16 ǤL

Риг.З

26

К

/Г5

г

23

8

/

21 19 /А / /хЛ

./ у у у

4WV/|

s 20 22 Ч

t

Фиг.6