СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ
SOLAR PLANT FOR WATER PURIFICATION AND DESALINATION

Область техники
Изобретение относится к солнечной энергетике и может быть использовано для очистки загрязненных вод водных объектов, а также для опреснения морской воды с использованием источников возобновляемой энергии.
Уровень техники
Солнечные опреснители воды бассейнового типа общеизвестны, и простейшие из них используются с 1872 года (источник информации: www. businesspartner.ru/solnechnyie-opresniteli-vodyi.html).
Основным достоинством таких установок является их низкая стоимость и быстрая окупаемость. К недостаткам следует отнести их сравнительно малую производительность и ограниченную территориальную область применения, что связано с необходимостью обеспечения достижения на поверхности конденсатора температуры точки росы. С целью устранения указанных недостатков солнечные опреснители подвергались доработкам и модификации. Близки к рассматриваемым установкам и устройства для получения пресной воды из воздуха.
Аналогом предлагаемого изобретения является устройство для получения пресной воды из воздуха без затрат энергии от внешнего источника и без экологического загрязнения окружающей среды с использованием в качестве хладагента воды водоема.
Устройство для получения пресной воды содержит трубопровод, опущенный в глубинные слои водоема (моря), и сообщающуюся с ним емкость, размещенную в поверхностном слое теплой воды и связанную с этим слоем воды через донное отверстие. Над поверхностью воды в емкости размещен воздуховод со свободно открытыми входным и выходным отверстиями, первое из которых размещено выше второго. Нижняя наклонная в сторону трубопровода стенка воздуховода является перегородкой между зоной охлаждения, размещенной ниже перегородки и заполненной проточной холодной водой, и зоной конденсации над перегородкой в пределах воздуховода. В системе трубопровод-емкость и в воздуховоде дополнительно установлены соответственно осевой лопастный насос и осевой вентилятор. Движение воды из глубинных слоев осуществляется по трубопроводу и емкости за счет оттока холодной и более плотной воды из емкости в пределы более теплой и менее плотной воды в ее поверхностном слое, при этом система трубопровода и емкости работает как сообщающийся сосуд за счет гидростатических сил со стороны окружающей воды. Движение воздуха в воздуховоде осуществляется за счет его охлаждения и увеличения плотности при контакте с охлаждающей перегородкой. Конденсат водяного пара, осаждаемого на верхнюю не смачиваемую водой поверхность перегородки, собирают в сосуде для пресной воды.
Данная установка проста, однако существенными недостатками ее являются сильная зависимость производительности от величины относительной влажности воздуха и, как следствие, невысокая производительность установки (источник информации: патент Российской Федерации RU (11) 2117734 (13) C1).
Также в качестве аналога может быть рассмотрена солнечная опреснительная установка непрерывного действия. Рассматриваемая установка содержит теплоизолирующий кожух с нижней зачерненной панелью и рядом наклонных промежуточных панелей со сборниками конденсата. Панели выполнены с отбортовками в виде противней и снабжены установленными между смежными панелями дренирующими трубками, причем их верхние обрезы расположены в горизонтальных плоскостях, лежащих выше поверхности панелей и ниже края их отбортовок, а нижние концы лежат ниже указанных плоскостей нижележащих панелей. Патрубок подачи соленой воды, подведенный к поверхности верхней промежуточной панели, и нижние концы трубок выполнены с боковыми выходными отверстиями. Трубки панели подключены к коллектору для отвода избытка рассола. Верхняя панель и промежуточные панели выполнены прозрачными для солнечной радиации, при этом последние выполнены из теплопроводного стекла или из стекла, армированного элементами. Конструкция установки обеспечивает оптимальный уровень заполнения панелей установки соленой водой и слив избытка рассола, исключая засоление панелей и максимальное использование энергии солнечной радиации, что позволяет повысить эффективность и надежность работы установки.
Подключение полости установки к вакуум-насосу позволяет повысить скорость испарения воды и конденсации ее паров.
Установка датчика электромагнитного расходомера на сливной трубке коллектора обеспечивает возможность реализовать надежное регулирование подачи соленой воды в опреснителях большой производительности, состоящих из ряда модулей.
Существенными недостатками рассматриваемого аналога являются его сравнительная сложность и дороговизна изготовления, необходимость принятия специальных мер для утилизации рассола, необходимость применения для подачи морской воды специального насосного оборудования.
Источником информации по данной установке является патент Российской Федерации RU 2081840.
В качестве прототипа выбран Солнечный опреснитель как наиболее близкий к заявленному решению по совокупности признаков.
Солнечный опреснитель содержит корпус с поглощающим днищем, прозрачным верхним ограждением и укрепленным под ним желобом для сбора дистиллята, установленный в корпусе газонагреватель с поглощающим солнечное излучение покрытием и сообщенную с газонагревателем погруженную в соленую воду перфорированную трубу, отличающийся тем, что с целью повышения тепловой эффективности, ограждение выполнено полым, его полость сообщена с атмосферой и газонагревателем, поглощающий участок которого выполнен на боковой стенке корпуса и снабжен вентилятором. Нагнетательный патрубок вентилятора оборудован гидрозатвором, что предотвращает попадание воды в вентилятор. Перфорированная труба для улучшения условий аэрации выполнена с переменной площадью отверстий, увеличивающейся по ходу отверстий. Так как установка выполнена гидравлически связанной с внешней средой через желоб для отвода дистиллята, некоторое дополнительное нагнетание воздуха в корпус приводит к интенсификации вывода дистиллята за счет перепада давления между полостью корпуса и внешней средой.
Установка проста, дешева в изготовлении, однако реализация прототипа весьма затрудняется необходимостью принятия специальных мер по удалению рассола, закачиванию дополнительной порции опресняемой воды специальным насосом. Установка будет работоспособна в относительно небольшом диапазоне температур окружающего воздуха. Кроме того, для обеспечения эксплуатации газонагревателя, представляется необходимым оборудовать его воздушными фильтрами и сменной загрузкой или обслуживаемыми теплообменниками, что может существенно усложнить установку.
Источником информации по данной установке является патент СССР SU 1191425 А.
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является очистка и (или) опреснение воды с повышенной производительностью и использованием возобновляемых источников энергии, в частности солнечной энергии, с возможностью эксплуатации в автономном режиме и с минимальным техническим обслуживанием.
Техническая задача решается тем, что в предлагаемой «Солнечной установке для очистки и опреснения воды» (см. чертеж) используется простая в изготовлении и эксплуатации конструкция, состоящая из:
- теплоизолирующего корпуса (1) с разновысокими бортами, с зачерненной внутренней поверхностью (2), соединенного с приповерхностным слоем воды водоема через нижний патрубок (3);
- сверху корпус герметично перекрывается наклонным светопроницаемым материалом (далее - перекрытие) (4), имеющим продольное рифление (5);
- внутри, вдоль низкого борта корпуса, располагается лоток с козырьком для сбора конденсата очищенной (опресненной) воды (6), которая отводится из лотка через верхний патрубок (7);
- в нижней, донной части корпуса размещается аэратор (14), выполняемый из труб с калиброванными отверстиями;
- воздуховод аэратора (13) подсоединен к ресиверу (8) компрессора (9),
- к тому же ресиверу подсоединен воздуховод (12) эрлифта (11);
- всасывающий патрубок (10) от компрессора выведен в воздушную часть корпуса установки на ее высоком борту;
- эрлифт (11) состоит из трубы с пропущенным внутри воздуховодом (12), соединенной с расположенным на высоком борту корпуса распределительным лотком охлаждающей воды (15).
Установка горизонтально размещается на поверхности водного объекта (или на берегу) таким образом, чтобы уровень воды в корпусе был ниже уровня водосборного лотка на 25-30 см, и ориентируется из условия максимальной инсоляции.
Предлагаемая «Солнечная установка для очистки и опреснения воды», отличающаяся от аналогов и прототипа тем, что для интенсификации процесса испарения воды используется система аэрации очищаемой (опресняемой) воды с применением принудительной циркуляции паровоздушной смеси (корпус установки - компрессор - ресивер - корпус установки), а также тем, что с целью увеличения разности температуры поверхности конденсатора (нижней поверхности светопроницаемого перекрытия) и температуры паровоздушной смеси в корпусе установки использовано охлаждение поверхности перекрытия водой водного объекта, позволяет значительно повысить производительность, а также расширяет географический диапазон применения.
Осуществление изобретения
Установка работает следующим образом.
2
Очищаемая (опресняемая) вода поступает в герметичный корпус установки (1) через нижний патрубок (3), диаметр которого (суммарный диаметр которых) выбирается из величины заполняемого объема и обеспечения притока свежей воды в количестве 6-7 литров в сутки на м поверхности нагреваемой воды.
Внутренний объем корпуса установки с очерненной поверхностью (2) нагревается солнечной радиацией, в результате чего начинается интенсивное испарение воды, повышается влажность воздуха в воздушном пространстве корпуса. Для увеличения интенсивности испарения воды, а также с целью создания конвективного потока воздуха, в средний слой очищаемой воды через аэратор (14) подается сжатый воздух из ресивера (8) компрессора (9), что резко увеличивает скорость испарения. В отличие от рассмотренных выше аналогов и прототипа, для улучшения конвекции паровоздушной смеси, воздух из средней части воздушного пространства корпуса установки отбирается на вход компрессора по патрубку (10), что позволяет уменьшить давление внутри корпуса и, таким образом, улучшить условия парообразования, а также организовать циркуляцию паровоздушной смеси и тем самым способствует доставке нагретой части паровоздушной смеси к поверхности конденсатора. Вода из образовавшейся паровоздушной смеси конденсируется на внутренней (нижней) несмачиваемой поверхности светопроницаемого перекрытия (4) и далее стекает в лоток для сбора конденсата (6), откуда забирается через патрубок (7) любым удобным в конкретной конструкции и условиях размещения установки образом. В отличие от аналогов и прототипа, с целью улучшения условий конденсации воды, для увеличения разности температур паровоздушной смеси и поверхности конденсации, предусматривается охлаждение верхней поверхности светопроницаемого перекрытия водой водного объекта, которая подается эрлифтом (11) в распределительный лоток (15). Для обеспечения равномерного охлаждения поверхности перекрытия, на нем предусматривается выполнение рифления (5) (сверху вниз). Глубина забора охлаждающей воды выбирается из условий распределения температуры слоев воды водного объекта (наилучшим для целей охлаждения является применение слоя термоклина с наиболее низкой температурой воды). Охлаждающая вода свободно сбрасывается по охлаждаемой поверхности перекрытия в водный объект.
Давление внутри корпуса снижается за счет того, что часть паровоздушной смеси, которая откачивается компрессором, расходуется на работу эрлифта. Ресивер компрессора может быть оборудован камерой для сбора конденсата, который отводится в лоток для сбора очищенной (опресненной) воды (не показано). При снижении давления внутри корпуса установки ниже установленной величины, срабатывает переключающий клапан на всасывающем патрубке компрессора (не показан) для забора наружного воздуха.
В случае реализации предлагаемой установки с приводом компрессора от солнечной батареи без накопителя электроэнергии, установка будет работать и в ночное время (с меньшей производительностью) следующим образом:
- когда интенсивность солнечной радиации падает ниже порогового уровня, останавливается привод компрессора, прекращается аэрация очищаемой воды и наружное охлаждение светопроницаемого перекрытия.
Ввиду того что в дневное время очищаемая (опресняемая) вода внутри корпуса установки значительно нагревается, а теплоизолирующий корпус установки позволяет длительное время поддерживать повышенную внутреннюю температуру, процесс испарения с поверхности воды продолжается. В то же время, ввиду снижения температуры наружного воздуха, снижается и температура светопроницаемого перекрытия (поверхности конденсации) до значений ниже точки росы. Таким образом, конденсация воды будет продолжаться. Расчет показывает, что при температуре паровоздушной смеси выше 20°С, для достижения точки росы достаточно снижения температуры охлаждающей (конденсирующей) поверхности на 3°С ниже температуры паровоздушной смеси (насыщенного пара).
Ввиду того что нижняя часть корпуса установки имеет непосредственную гидравлическую связь с водным объектом, осуществляется постоянный приток внешней (очищаемой, опресняемой) воды, что обеспечивает усреднение концентрации солей (загрязняющих веществ) в опресняемом (очищаемом) объеме воды, и, таким образом, устраняется необходимость специального отведения рассола (загрязненной воды) и его утилизации. Интенсивность притока свежей воды будет определяться снижением давления внутри корпуса при работе компрессора и снижением уровня воды при ее испарении с поверхности с учетом того, что объем воды в корпусе установки будет увеличиваться по мере ее нагрева и расширения.
Предлагаемая солнечная установка для очистки и опреснения воды имеет простое конструктивное решение и позволяет осуществлять очистку (опреснение) воды, дешева в изготовлении, не требует обязательного применения внешних источников энергоснабжения, может работать в автономном режиме, легка в обслуживании и может использоваться в различных климатических зонах. При незначительных конструктивных изменениях возможно размещение солнечной установки как на водных объектах, так и на берегу.
Конструкция солнечной установки позволяет создавать блоки из отдельных, в том числе и мобильных, модулей, что позволяет ее применять и для обеспечения водой населения в чрезвычайных ситуациях.