Установка для опреснения морской воды
SEAWATER DESALINATION PLANT

Изобретение относится к области технологий и технических средств, предназначенных для опреснения морской воды. Изобретение предлагает комплекс технических решений по производству пресной воды в промышленных масштабах для нужд сельского хозяйства, различных производств, системы жилищно-коммунального хозяйства, расположенных в прибрежных районах моря.
В целом, на земных условиях основным источником пресной воды являются воды рек, озер, ледников, артезианских скважин и опреснение морской воды. В настоящее время в прибрежных районах моря, в частности на Ближнем Востоке, широко распространена энергоемкая добыча питьевой и технической воды с использованием ископаемых видов топлива, таких как природный газ и тяжелая нефть газ. Кроме того, широко применяются ряд методов опреснения морской воды, в том числе многоступенчатое мгновенное испарение (термический процесс с высоким потреблением энергии), обратный осмос и мембранная дистилляция. В частности, в случае обратного осмоса необходимо приложить большие усилия для очистки используемых мембран, которые покрываются специфическими отложениями в виде минеральных, биологических материалов, а также коллоидных частиц. В этом случае мембраны необходимо промывать химическими очистителями. Так, против бактерий используются агенты, применяемые против накипи, такие как полифосфорная и полималеиновая кислоты, а также хлор и биоциды. Эти чистящие средства чрезвычайно вредны для окружающей среды и их необходимо нейтрализовать, а также тщательно обработать мембраны перед возвратом их в море.
Последнее время интерес научного и инженерного сообществ связан с проблемой получения пресной воды из влажного воздуха. Проведенные исследования показывают, что единовременный объем воды в наиболее доступных источниках - речных руслах и озерах составляет всего 1,2 тысяч кубических километров. В то же время ежегодно с поверхности суши и океанов испаряется 577 тысяч кубических километров влаги, а в каждый данный момент в атмосфере находится около 14 тысяч кубических километров воды в виде пара, при этом 50% всего водяного пара приходится на нижние слои атмосферы. Во многих случаях увлажненная атмосфера более доступна, чем вода рек и озер, особенно это относится к прибрежным районам морей, в частности, прибрежному району Черного моря. Известны два способа получения (выделения) воды из атмосферы - конденсационный и сорбционный. В первом случае воздух охлаждают до состояния насыщения (точки росы) и сконденсированную воду используют по назначению. При сорбционном способе молекулы воды связываются за счет межмолекулярных (вандерваальсовых) сил сорбентами, из которых затем выделяются путем нагрева.
Из RU 2719813 известен способ получения воды из теплого влажного воздуха, который состоит в создании организованного вертикального потока такого воздуха, его последующей транспортировки на высоту до 3500 метров и конденсации из него воды в виде дождя путем турбулентного смешения с холодным воздухом из верхних слоев атмосферы. Перечисленные операции выполняются с помощью устройства, состоящего из вертикальной циркуляционной (типа дымовой) трубы высотой 100-150 м и турбоконденсатора, выполненного в виде цилиндра с полыми стенками, заполненными гелием. Турбоконденсатор с помощью лебедок и тросов удерживается на высоте 1000-1500 м и обеспечивает эффективное турбулентное смешение потоков теплого влажного воздуха из циркуляционной трубы и холодного воздуха из верхних слоев атмосферы с образованием конденсата в виде дождя.
Сложность конструкции конденсационного устройства и низкая его надежность вследствие высокой зависимости от движения потоков воздуха (ветров) на высоте до 1500 м затрудняют практическую реализацию оригинальной идеи.
В качестве прототипа заявляемому изобретению выбран способ опреснения морской воды и реализующая его конструкция, описанные в RU 2553880. Сущность способа опреснения морской воды, включающем ее испарение и конденсацию водяного пара, состоит в том, что морскую воду берут раздельно из верхних теплых и нижних холодных слоев, причем теплую воду направляют на испарение, а холодную воду используют в качестве хладагента для конденсации водяного пара, получаемого из нагретой морской воды и атмосферного воздуха. Установка для опреснения морской воды содержит конденсаторную камеру с трубчатым теплообменником. Форсунки, приемный бак, подводящую трубу, насос морской воды с фильтром, насос пресной воды, теплохолодильную камеру и соединенные с ней охлаждающий теплообменник и нагревательный теплообменник, установленный в испарительном баке, вентилятор, бак пресной воды, паропровод, блок управления, конденсаторная полость. Конденсаторная полость выполнена в виде вертикального сетчатого стакана, завершающегося в нижней части приемным баком, соединенным с отводящей трубой и краном с баком пресной воды, нижняя часть которого соединена насосом, краном и трубопроводом с верхней частью конденсаторной камеры. На части трубопровода, входящей в верхнюю часть конденсаторной полости, вертикально установлены форсунки, а над конденсаторной камерой помещен вентилятор, при этом нижняя часть трубчатого теплообменника, помещенного в конденсаторной камере, выходит из нее над приемным баком и соединяется с подводящей трубой, проходящей через охлаждающий теплообменник. Далее нижняя часть теплообменника соединяется с подающим шлангом, насосом морской воды и фильтром для воды, установленным в глубине моря, а верхняя часть теплообменника выходит из верхней части конденсаторной полости, и соединяется со сливной трубой и вертикальной трубой, соединенной с теплоизолированным испарительным баком, на которой установлены электромагнитный клапан и жиклерное отверстие. На боковой стенке испарительного бака в его нижней части установлены датчики верхнего и нижнего уровней, электрически связанные с блоком управления и электромагнитным клапаном. На испарительном баке на верхней стенке установлен каплеотбойник и далее вакуумный насос, соединенный с паропроводом, проходящим в конденсаторную камеру. В верхней части испарительного бака установлены перегородки, имеющие донные отверстия, которые у соседних перегородок смещены относительно друг друга и имеют борта по периметру, обращенные вверх. В нижней части испарительного бака установлен сливной патрубок, сообщающийся с вакуумным краном, насосом и обратным клапаном, при этом в верхних слоях морской воды установлен дополнительный насос с фильтром, соединенный с трубой и обратным клапаном с вертикальной трубой перед электромагнитным клапаном.
Недостатком заявленной конструкции является значительная ограниченность площади поверхности испарения морской воды, которая определяется лишь размерами и объемом испарительного бака, а также наличием перегородок, что не дает возможности осуществлять производство пресной воды из морской в промышленно значимых объемах. Кроме того, наличие в устройстве специальной системы подготовки теплой морской воды для получения водяного пара, включающую испарительный бак и нагревательный теплообменник, также ведет к ограничению его производительности.
Таким образом, задачей изобретения является повышение производительности процесса получения пресной воды из морской до уровня промышленно значимых объемов.
Поставленная задача достигается за счет того, что установка для опреснения морской воды, состоящая из устройства забора холодной морской воды, включающего насос, связанный с теплообменником, размещенным в камере конденсации, снабженной вентилятором, представляет собой плавсредство в виде водоизмещающего корпуса с палубой и днищем, между которыми введена вторая палуба, выполненная с перфорацией по ее длине, образующая с первой камеру конденсации в виде сквозного тоннеля, с одного конца перекрытого крыльчаткой, по меньшей мере, одного вентилятора, а на первой палубе смонтирован насос, связанный с теплообменником в виде совокупности рядов труб, размещенных в тоннеле по его длине и выведенных в наружное пространство, при этом объем корпуса, расположенный под второй палубой предназначен для сбора конденсата. Плавсредство может быть выполнено в виде самоходного судна или понтона. Решению поставленной задачи способствует и то, что конец второй палубы, противоположный вентилятору, выполнен закругленным в виде сегмента кольца, вентилятор снабжен электронагревательным элементом, размещенным за крыльчаткой, и датчиками температуры воздуха до крыльчатки и после нее, насос снабжен заборным устройством, выполненным в виде приводного барабана с намотанным на него гибким шлангом, на конце которого установлен фильтр и датчик температуры морской воды, на первой палубе смонтированы, по меньшей мере, два ветрогенератора, каждый из которых закреплен на своей поворотной штанге. Способ опреснения морской воды с использованием установки, включающей использование морской воды качестве источника воздуха, содержащего водяной пар, с одновременным ее же применением в качестве хладагента в процессе конденсации состоит в том, что воздух отбирают непосредственно над морской поверхностью из прилегающего к ней слоя, толщина которого не превышает пять метров.
Технический результат изобретения заключается в возможности осуществления производства пресной воды из водяного пара, забираемого непосредственно над поверхностью моря, в промышленных масштабах за счет использования установки в виде плавсредств, размещаемых в море и выполненных в виде понтона или самоходного судна, оснащенных по длине сквозной конденсационной камерой в виде тоннеля, перекрываемого крыльчаткой вентилятора.
На чертежах, прилагаемых к описанию, даны следующие схематические изображения:
- на фиг. 1 - общий вид установки, размещенной на понтоне;
- на фиг. 2 - общий вид понтона по стрелке А;
- на фиг. 3 - поперечный сечение понтона по Б-Б;
- на фиг. 4 - общий вид понтона по стрелке А с ветрогенераторами, установленными в рабочее положение;
- на фиг. 5 - общий вид установки, размещенной на самоходном судне.
Установка для опреснения морской воды представляет собой плавсредство, которое может быть выполнено в двух вариантах: в виде понтона (фиг. 1) и самоходного судна (фиг. 5). Общей характеристикой для обоих плавсредств является наличие у каждого из них водоизмещающего корпуса 1, снабженного основной (первой) палубой 2 и днищем 3, пространство между которыми превращается в замкнутый объем боковыми вертикальными стенками 4. Такой объем для судна любого назначения называется трюмом. Между основной палубой 2 и днищем 3 размещается вторая палуба 5, которая представляет собой металлический лист, снабженный по всей его площади сквозными отверстиями (перфорациями). В совокупности обе палубы 2 и 5 вместе со стенками 4 образуют сквозной тоннель 6 с входным и выходным отверстиями 7 и 8 соответственно. Отверстие 7 перекрыто крыльчатками 9 двух вентиляторов, каждый из которых снабжен электродвигателем 10. На первой палубе 2 смонтирован гидравлический насос 11, предназначенный для забора морской воды. Собственно заборное устройство представляет собой барабан 12, связанный с электроприводом (на чертежах не показан), на котором намотан гибкий шланг 13, несущий на конце фильтр 14 и датчик 15, температуры морской воды. Другой конец шланга 13, расположенный противоположно фильтру 14, через переходник 16 посредством трубы 17 связан с распределителем 18, который, в свою очередь, трубопроводом 19 соединяется с теплообменником, образованным совокупностью, последовательно установленных по длине тоннеля 6, трубчатых змеевиков 20, концы которых объединяются коллекторными трубами 21, выведенными за боковые стенки тоннеля в наружное пространство. Конец второй палубы 2, формирующий выходное отверстие 8 тоннеля 6 выполнен закругленным в виде фрагмента кольца. Объем корпуса, находящийся под второй палубой, предназначен для сбора конденсата. Откачка конденсата из корпуса осуществляется через трубопровод 30. За крыльчатками 9 обоих вентиляторов установлены электронагревательные спирали 22, при этом перед каждой крыльчаткой 9 установлен датчик 23 температуры входящего воздуха, а за спиралями 22 каждого вентилятора смонтирован датчик 24 температуры воздуха входящего непосредственно в объем тоннеля. Следует отметить, что для целей экономии электрической энергии, потребляемой вентиляторами, на первой палубе установлены два ветрогенератора 25, смонтированных на поворотных штангах 26, а на выходе из тоннеля установлен, по меньшей мере, один ветрогенератор 27, предназначенный для рекуперации энергии потока воздуха, продуваемого через тоннель. В случае размещения предприятия на понтоне последний для устойчивого и неподвижного положения крепится к морскому дну с помощью опор 28 или цепей 29 с якорями на конце. Следует отметить, что на чертежах фиг. 1 и 2, изображающих вид по стрелке А, на фиг. 2 условно не показана система забора морской воды, так как на этом чертеже акцентируется внимание на расположении в процессе работы ветрогенераторов 25.
Способ опреснения морской воды на описанной выше установке осуществляется следующим образом.
В качестве примера, реализация способа осуществляется на установке, расположенной на понтоне, изображенном на фиг. 1. Корпус 1 понтона опирается через опоры 28 на морское дно и для обеспечения электроэнергией его силовых установок к нему по дну моря с берега протянут кабель (на чертежах не показан), который дополняют, имеющиеся на понтоне, ветрогенераторы 25 и 27. Ветрогенераторы 25 приводят в рабочее состояние путем наклона поворотных штанг 26 до горизонтального положения (фиг. 4). Затем, включают в работу вентиляторы 9, которые начинают нагнетать через отверстие 6 воздух с поверхности моря, содержащий водяной пар, в тоннель. Отверстие 6 понтона располагают относительно поверхности моря (далее поверхность) таким образом, что крыльчатки 9 вентиляторов находятся внутри слоя, прилегающего к поверхности воздуха, толщина которого не более 5 метров, отмеряемая от поверхности. Оптимальным значением, с учетом конструктивных особенностей заявляемого предприятия, является расстояние в 3 метра, исчисляемое от оси крыльчатки 9 до поверхности. Из общих сведений науки аэрогидродинамики известно о существовании пограничного слоя при перемещении, в частности, воздуха вдоль поверхности, отличающейся более высокой плотностью. Пограничный слой при этом обладает аномальными свойствами по отношению к перемещающейся среде. В рассматриваемом случае относительная влажность в слое воздуха толщиной в 5 метров имеет стабильную величину, оцениваемую в 80-90%. Выше 5 метров влажность воздуха из-за явления адвекции (перенос водяного пара воздушными течениями в вертикальном и горизонтальном направлениях) имеет тенденцию к уменьшению, преимущественно, из-за восходящих (вертикальных) течений. В силу этой причины забор влажного воздуха в слое толщиной до 5 метров является оптимальным, а забор выше 5 метров ведет экспоненциально к уменьшению количества пресной воды до некой стабильной величины.
Одновременно с включением вентиляторов в работу, насосом 11 подают воду из глубины моря через шланг 13, переходник 16 и трубу 17 в распределитель 18, из которого по трубе 19 вода поступает в трубчатые змеевики 20 и из последних через коллекторные трубы 21 сливается в море. Следует отметить, что в зависимости от температуры воздуха над поверхностью моря, измеряемой датчиком 7, шланг 13 опускается до глубины моря, где температура воды, измеряемая датчиком 15, несколько ниже или равна<температуре росы», закачиваемого в тоннель воздуха. Выбор соответствующего соотношения температур осуществляется автоматически с помощью программы, заложенной в компьютер, который призван управлять гидравлическим насосом и вентиляторами, а также нагревом воздуха, прокачиваемого через тоннель до необходимого соотношения температур, обеспечивающего конденсацию водяного пара.
Система подогрева воздуха состоит из электронагревателей 22 и датчика 24, который включен в систему управления (не является предметом детального рассмотрения) и учитывается программой, заложенной в компьютер. Воздух, поступающий в тоннель, проходя по нему, соприкасается с трубчатыми змеевиками, имеющими температуру конденсации водяного пара, и выделенная влага через отверстия во второй палубе 5 поступает в объем понтона под этой палубой, накапливаясь там. На выходе из тоннеля через отверстие 8 воздух подвергается «досушиванию», т.е. извлечению, оставшейся в потоке воздуха, влаги в виде капель за счет центробежных сил на концевой части палубы 5, имеющей кольцевую форму. Ветрогенераторы 27, установленные на некотором расстоянии от выхода из тоннеля, осуществляют рекуперацию энергии потока воздуха в электрическую энергию, питающую насос и вентиляторы. Роль дополнительных источников электрического тока выполняют и ветрогенераторы 25, включенные в общую энергетическую систему установки. Устройство установки, расположенной на понтоне, во всех деталях повторяется и на установке, расположенной на самоходном судне, энергетическая часть которого является частью общей энергетической системы установки. Оптимальное проектирование устройств и механизмов установки способно обеспечить его работу без внешних источников энергии.
Примерный расчет суточного производства пресной воды установкой, расположенной на понтоне и работающей в непрерывном режиме:
В качестве величины исходной влажности воздуха на побережье, в частности, Черного моря принимается содержание 20 мл влаги на один кубический метр воздуха. В действительности влажность над испаряющейся водной поверхностью моря имеет более значительные величины. Суммарная производительность вентиляторов принимается равной 1000 кубических метров в секунду. Таким образом, часовая производительность равняется 72 кубическим метрам пресной воды, а суточная - 1728 кубическим метрам. Такое количество пресной воды достаточно для обеспечения населенного пункт с численностью населения до 2000 человек в сутки, при этом 'с выполнением условия удовлетворения насущных потребностей каждого человека и потребностей в поливе насаждений приусадебных участков. Изобретение предназначено, преимущественно, для удовлетворения нужд в пресной воде отдельных поселений городского и сельского типа, промышленных предприятий, санаториев и т.п., расположенных в прибрежной морской зоне.