АВТОНОМНЫЙ ОПРЕСНИТЕЛЬ
AUTONOMOUS DISTILLER

Изобретение относится к гелиотехнике, точнее к опреснителям морской и минерализованной воды, использующим возобновляемые источники энергии, и может быть использовано для индивидуального водоснабжения вне цивилизованной инфраструктуры, а также в медицине катастроф.
В настоящее время запатентовано множество конструкций опреснителей морской воды т.н. парникового типа, в которых увлаженный и нагретый солнечным теплом воздух охлаждается с выпадением росы-конденсата. Общей отличительной особенностью указанных устройств является наличие испарительной камеры достаточно больших габаритов, поскольку испарение исходной воды ведется со свободной поверхности. Процессы испарения и конденсации происходят при близких температурах в рамках одного, в сущности, конструктивного объема, что неизбежно снижает КПД установки. Для преодоления этого недостатка предложен ряд конструкций с раздельными блоками испарения и конденсации, а также увеличенной площадью контакта воздух-вода.
Известно устройство для опреснения морской воды (РФ №96369, МПК C02F 1/04, оп. 27.07.2010 г.), содержащее установленные на подвижной платформе воздуховод с ветродвигателем, теплообменник с емкостью для сбора конденсата и систему трубопроводов с арматурой для подачи и слива соленой и пресной воды, отличающийся тем, что ветродвигатель выполнен в виде турбины, а воздуховод выполнен в виде соосных вертикально установленных с щелевым зазором между собой полой трубы и сообщенного с атмосферой укороченного кожуха, соединенного герметично с емкостью для сбора конденсата.
Недостатком аналога является малый перепад температуры рабочего тела - воздуха и связанная с этим потребность в значительных объемах расхода воздуха для получения сколь-нибудь заметного количества пресной воды.
Известна также гигроскопическая гелиоопреснительная установка (РФ, №2048444, МПК C02F 1/04, оп. 20.11.1995 г.), содержащая подогреватель исходной питательной морской воды, выполненный в виде спиральных лотков, над которыми размещена прозрачная оболочка с солнцепоглощающим покрытием, конденсатор, расположенный над опреснителем, вентилятор, выполненный в виде солнечно-ветровой установки с установкой дефлектора на верхнем срезе вытяжного воздухопровода, отличающаяся тем, что опреснитель снабжен турбокомпрессором, системой пневмофорсунок, погруженных в лотки, насадкой, выполненной в виде матово-черного кускообразного теплопроводного материала, размещенной в лотках.
Недостатками аналога следует признать сложность и материалоемкость конструкции.
Известен также Ультразвуковой распылитель солнечной плиты - устройство для деминерализации соленой воды (CN №110002524, МПК C02F 1/14, C02F 1/12, оп. 12.07.2019), которое содержит блок питания, блок распыления, испаритель и блок охлаждения, причем блок распыления содержит воздушный насос, расходомер, резервуар для воды и ультразвуковой распылитель; резервуар для воды представляет собой закрытую емкость и используется для хранения солоноватой воды; ультразвуковой распылитель расположен в емкости для воды служит для преобразования солоноватой воды в частицы водяного тумана; испарительная установка содержит испарительную крышку, металлический теплообменник и опреснитель; а блок охлаждения содержит корпус охлаждающего резервуара, кольцевую трубу для конденсации и резервуар для сбора воды. Согласно устройству, ультразвуковой распылитель распыляет солоноватую воду на маленькие капли; туман выдувается воздушным насосом в испарительный бункер теплообменника для быстрого испарения; и время испарения сокращается, поскольку распыленные маленькие капли могут быстрее поглощать тепловую энергию для испарения.
Недостатками аналога являются сложность конструкции и потребность в электроэнергии.
Наиболее близким по конструкции является устройство для опреснения морской воды (Патент на изобретение РФ №2617489, МПК C02F 1/04, C02F 1/14, оп. 25.04.2017), принятое за прототип, содержащее емкость исходной воды, испарительную камеру, снабженную солнечным коллектором, конденсатор в виде змеевика, емкость для опресненной воды, соединительную и запорную арматуру, конденсатор расположен в емкости исходной воды, являющейся теплообменником и соединенной с испарительной камерой через запорный клапан, испарительная камера выполнена с возможностью создания в ней разрежения посредством вакуумного насоса, в нижней части испарительной камеры установлены обратные водоэмульсионные спринклеры для создания водовоздушной эмульсии, а в верхней части испарительной камеры в зоне выхода пара установлены пластины вторичной эмиссии, при этом устройство оснащено двумя комбинированными датчиками уровня/солености жидкости, датчиком давления и первым датчиком температуры, установленными в испарительной камере, вторым датчиком температуры, установленным на выходе солнечного коллектора, причем все датчики, насосы и запорная арматура подсоединены к контроллеру. Обратные водоэмульсионные спринклеры для создания водовоздушной эмульсии содержат патрубок забора воздуха, оснащенный задвижкой, соединенный трубками с камерами смешения, каждая камера смешения выполнена цилиндрической с кольцевым щелевым отверстием, а выходное отверстие снабжено последовательно размещенными конфузором и диффузором, при этом в нижней части камеры смешения установлен ультразвуковой излучатель, полость под которым заполнена упругим материалом, а перед входным отверстием камеры смешения в трубке установлен патрубок с соплом для подвода воды.
Недостатками прототипа являются сложность и материалоемкость конструкции. Кроме того, указанный опреснитель требует дополнительного электрооборудования в виде циркуляционного насоса, ультразвуковых излучателей, датчиков, контроллеров и т.п. Следует отметить также возможность нарастания накипи на обогреваемых каплеотбойниках, названных пластинами вторичной эмиссии.
Технический результат предлагаемого автономного опреснителя заключается в упрощении конструкции, устранении опасности отложения солей, полной автономности опреснителя при минимальном обслуживании и нулевом электропотреблении.
Технический результат достигается тем, что в увлажнителе воздуха, представляющем собой обогреваемую солнечным теплом восходящую гофрированную трубу, создается воздушным насосом турбулентный поток воздуха, в котором эжектируемая через сопло и поплавковую камеру исходная вода быстро дробится на микрокапли с последующим интенсивным испарением, при этом подача исходной воды в увлажнитель обеспечивается с некоторым избытком, который не может быть испарен полностью и вытекает из увлажнителя, смывая при этом солевой осадок.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема автономного опреснителя, на фиг. 2 приведена конструкция узла эжекции.
Автономный опреснитель содержит емкость исходной воды 1, увлажнитель воздуха 2, конденсатор 3, емкость дистиллата 4 и воздушный насос 5, который прокачивает исходный атмосферный воздух через весь тракт опреснителя и возвращает его в атмосферу. Увлажнитель воздуха 2 обогревается солнечным теплом и представляет собой восходящую тонкостенную гофрированную трубу из материала с высокой теплопроводностью, например, из нержавеющей стали. Смешивание исходной воды и воздуха происходит в узле эжекции на входе в увлажнитель воздуха 2 при истечении воды из сопла 6, постоянство подвода воды к которому обеспечивает поплавковая камера 7. Воздушная заслонка 8 служит для регулирования количества воздуха, подаваемого в опреснитель. Гидрозатворы 10 и 11 предназначены для отвода неиспаренной в увлажнителе 2 воды в емкость рассола 9 и емкость исходной воды 1 соответственно. Охлаждаемый ветром конденсатор 3 представляет собой нисходящую гофрированную трубу и отделен от увлажнителя 2 вертикальным участком воздуховода. Гидрозатвор 12 служит для слива пресной воды в емкость дистиллата 4.
Автономный опреснитель работает следующим образом. Воздушный насос 5 создает поток воздуха через последовательно соединенные увлажнитель 2 и конденсатор 3. Увлажнитель представляет собой восходящую, а конденсатор - нисходящую гофрированные трубы, условный проход которых подобран таким образом, чтобы поток воздуха принял ярко выраженный турбулентный характер, при этом увлажнитель обогревается солнечным теплом, а конденсатор находится в тени и охлаждается окружающим воздухом. Подача воздуха в увлажнитель осуществляется через узел эжекции, причем воздушная заслонка 8 позволяет в небольших пределах регулировать разрежение на входе в увлажнитель. Исходная морская или минерализованная вода из бака 1 эжектируется потоком воздуха из сопла 6 и благодаря турбулентности потока быстро дробится на микрокапли и интенсивно испаряется, нагреваясь вместе с воздухом по мере продвижения через увлажнитель 2. Постоянство подвода исходной воды обеспечивается поплавковой камерой 7. Небольшое разрежение воздуха на входе в увлажнитель увеличивает эжекцию исходной воды до количества, превышающего расчетную испаряющую способность увлажнителя 2. Избыток неиспаренной воды стекает по увлажнителю 2, смывая возможный солевой осадок, и далее через гидрозатвор 10 удаляется в емкость рассола 9. Другая часть нагретой, но неиспарившейся воды, прошедшая увлажнитель 2, отделяется на вертикальном участке воздухопровода между увлажнителем 2 и конденсатором 3 и возвращается через гидрозатвор 11 в емкость исходной воды 1, нагревая ее. Если воздушный насос 5 связан с ветродвигателем, то периодическое снижение скорости потока воздуха через опреснитель, связанное с неравномерностью ветра, приводит к дополнительному смыву солевого осадка из увлажнителя 2. Тот же эффект относится к воздушному насосу, имеющему привод от морских волн. Увлажненный горячий воздух попадает далее в охлаждаемый ветром конденсатор, при этом выпавший дистиллат стекает через гидрозатвор 12 в емкость пресной воды 4. Потерей тепла дистиллата в атмосферу следует пренебречь ради простоты конструкции и снижения себестоимости автономного опреснителя.