УСТРОЙСТВО РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ КОНЦЕНТРАТА В ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
CONCENTRATE ENERGY RECOVERY DEVICE IN REVERSE OSMOSIS PLANTS

Изобретение относится к области опреснения морских и природных солоноватых вод. Может быть использовано в энергетике, химической, пищевой и других областях промышленности.
Известно устройство (заявка на европейский патент ЕР 1095693 А1), содержащее по крайне мере одну пару питающих камер, в которых поочередно создается давление. Каждая из камер образует замкнутую полость тороидальной формы, разделенную на две части специальной корзиной. В камерах расположены разделители сферической формы. Указанные разделители при смене цикла удерживаются и переносятся внутри камеры специальными корзинами. Во время работы положение разделителей контролируется датчиками солености или расходомерами. Устройство используется для рекуперации энергии концентрата в опреснительных установках. К несомненным достоинствам устройства следует отнести принцип непрерывного кинетического цикла. При смене цикла разделители в камерах двигаются в одном направлении, что позволяет более полно использовать кинетическую энергию потока. Наличие автоматизированной системы контроля позволяет синхронизировать открытие и закрытие клапанов. Вместе с тем сложная форма питающих камер и механизм переноса разделителей усложняют конструкцию. Приводят к дополнительным затратам энергии на трение разделителя о стенки камер при движении. Снижают надежность конструкции. Приводят к удорожанию при изготовлении камер сложной формы.
Известно устройство рекуперации энергии концентрата (Патент Российской Федерации №2232627), принятое за прототип, включающее по крайней мере две питающие камеры, снабженные разделителями и датчиками положения, трехходовые электромагнитные клапаны и обратные клапаны, отличающееся тем, что питающие камеры выполнены цилиндрическими. Питающие камеры расположены вертикально по ходу движения разделителей. Плотность разделителей, имеющих цилиндрическую форму, выше плотности исходной морской воды, но ниже плотности концентрата. Внешней диаметр разделителей меньше внутреннего диаметра питающих камер. К боковой поверхности каждого разделителя прикреплена манжета, содержащая магнитный порошок. Для достижения технического результата питающие камеры и разделители выполнены в виде цилиндров. Цилиндрическая форма питающих камер и разделителей позволяет использовать стандартные трубы при изготовлении устройства. Применение труб позволяет избежать при изготовлении сложных технологических операций, существенно понизить цену устройства. Внешний диаметр разделителя меньше внутреннего диаметра питающей камеры, поэтому при движении разделителя не происходит трения о стенки камеры. Отсутствие трения о стенки позволяет избежать непроизводительные затраты энергии. Питающие камеры расположены вертикально по ходу движения разделителей. Плотность разделителей выше плотности исходной воды, но ниже плотности концентрата, поэтому разделитель находится на границе раздела жидкостей. Манжета с магнитным порошком надежно обеспечивает индикацию положения разделителя и препятствует перемешиванию исходной морской воды и концентрата при движении. Недостатком данного изобретения является необходимость использования электромагнитных клапанов, что удорожает конструкцию и снижает надежность и безотказность его работы
Целью настоящего изобретения является снижение затрат электрической энергии на обратноосмотическое опреснение морской воды и упрощение конструктивного исполнения устройства рекуперации. Реализация обозначенной цели позволит повысить надежность при эксплуатации и снизить капитальные затраты при изготовлении.
Краткое описание фигур.
Рис. 1. Обозначения: 1, 8 - уплотнительные кольца торцевых крышек; 2, 7 - ограничительные кольца; 3, 6 - уплотнительные кольца неподвижных дисков; 4, 5 - вращающиеся диски, жестко соединенные с поворотными колесами; 9, 15 - торцевые крышки; 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 12 - соединительная ось; 16 - патрубок выхода концентрата; 17 - патрубок выхода исходной воды; 18 - патрубок входа концентрата; 19 - патрубок входа исходной воды; 20 - напорный корпус; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 2. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 3. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 4. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 5. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 6. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 7. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 8. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; И, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
Рис. 9. Обозначения: 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень. А-А - питающая камера концентрата обратного осмоса; Б-Б - питающая камера исходной воды.
На чертеже (рис. 1) приведена схема устройства рекуперации энергии концентрата обратного осмоса. Схема устройства включает: 1,8 - уплотнительные кольца торцевых крышек; 2, 7 - ограничительные кольца; 3, 6 - уплотнительные кольца неподвижных дисков; 4, 5 - вращающиеся диски, жестко соединенные с поворотными колесами; 9, 15 - торцевые крышки; 10, 14 - неподвижные диски; 11, 13 - поворотные колеса с направляющими перегородками; 12 - соединительная ось; 16 - патрубок выхода концентрата; 17 - патрубок выхода исходной воды; 18 - патрубок входа концентрата; 19 - патрубок входа исходной воды; 20 - напорный корпус; 21, 23 - неподвижные колеса с направляющими перегородками; 22 - разделительный поршень.
Устройство рекуперации энергии концентрата обратного осмоса включает, по крайней мере, две питающие камеры, снабженные разделительным поршнем, и, по крайней мере, два динамических клапана, регулирующие входящие потоки воды, и, по крайней мере, два динамических клапана, регулирующие выходящие потоки воды. Питающие камеры выполнены внутри одного напорного корпуса и разделены разделительным поршнем. Разделительный поршень имеет возможность перемещаться вдоль оси, соединяющей питательные камеры. Динамические клапаны, регулирующие входящие и выходящие потоки воды, открываются и закрываются за счет использования кинетической энергии входящих потоков воды. Между поворотными колесами существует жесткая механическая связь.
Питающие камеры предпочтительно могут иметь цилиндрическую форму, при этом разделительный поршень выполнен в виде цилиндрического диска, а к его боковой поверхности прикреплена уплотнительная манжета. Разделительный поршень используется только для обеспечения невозможности смешения потоков исходной морской воды и концентрата и не имеет отношения к системе вращающихся динамических клапанов, выполненных в виде роторно-статорных пар, создаваемых поворотным и неподвижными колесами.
Разделительный поршень при продольном перемещении вдоль оси, соединяющей питательные камеры, может иметь возможность вращательного движения вокруг той же оси. Вращение разделительного поршня вокруг своей оси препятствует образованию отложений на внутренней боковой поверхности цилиндра и снижает возможность заклинивания поршня при его перемещении.
Соединительная ось, соединяющая питательные камеры предпочтительно выполнена с внешней винтовой нарезкой, а разделительный поршень имеет внутреннюю винтовую нарезку.
Динамические клапаны, регулирующие входящие потоки воды предпочтительно выполнены в виде неподвижного колеса с боковым отверстием и поворотного колеса цилиндрической формы, часть боковой поверхности которого выполнена в виде направляющих перегородок, поворотные колеса обоих клапанов жестко связаны между собой соединительной осью, проходящей через разделительный поршень, причем части
боковой поверхности поворотных колес в виде направляющих перегородок каждого из динамических клапанов смещены относительно друг друга на определенный угол.
Предпочтительно части боковой поверхности поворотных колес в виде направляющих перегородок каждого из динамических клапанов могут быть смещены относительно друг друга на угол 45, 90 или 180 градусов.
В боковом отверстии неподвижного колеса могут быть установлены направляющие перегородки, предпочтительно под углом от 30 до 60 градусов к оси, проходящей через боковое отверстие и центр неподвижного колеса.
Предпочтительно подводящие патрубки, регулирующие входящие потоки воды расположены тангенциально по отношению к цилиндрической поверхности питающих камер.
Динамические клапаны, регулирующие выходящие потоки воды, предпочтительно выполнены в виде двух дисков со сквозными отверстиями, один из которых неподвижно расположен в напорном корпусе, а другой жестко соединен поворотным колесом соответствующего динамического клапана, регулирующего входящие потоки воды и имеет возможность поворачиваться вместе с ним, причем отверстия в поворотном колесе и жестко скрепленным с ним соответствующим вращающимся диском совпадают, сквозные отверстия в поворотных колесах и жестко соединенных с ними вращающихся дисках и сквозные отверстия в неподвижных дисках каждого из динамических клапанов смещены относительно друг друга на определенный угол.
Сквозные отверстия в поворотных колесах и жестко соединенных с ним диске и в неподвижных дисках динамических клапанов предпочтительно смещены соответственно относительно друг друга на угол 45, 90 или 180 градусов.
Предпочтительно неподвижный диск жестко скреплен с неподвижным колесом или неподвижный диск выполнены в виде одной детали с неподвижным колесом.
Устройство собирается следующим образом.
Вначале собирается узел, состоящий из соединительной оси 12, на которую надевается по внутренней посадке разделительный поршень 22. В другом варианте изобретения разделительный поршень может иметь цилиндрическую форму, а к его боковой поверхности может крепиться уплотнительная манжета (на рис. 1 не показана). В другом варианте изобретения разделительный поршень 22 при продольном перемещении вдоль соединительной оси 12, соединяющей питательные камеры, имеет возможность вращательного движения вокруг той же оси. В другом варианте изобретения
поверхности каждого из поворотных колес в виде направляющих перегородок смещены относительно друг друга на угол 45, 90 или 180 градусов.
Далее к поворотным колесам 11 и 13 жестко крепятся вращающиеся диски 4 и 5 соответственно, причем отверстия в поворотном колесе и жестко скрепленным с ним соответствующим вращающимся диском совпадают. В другом варианте изобретения поворотное колесо и вращающийся диск выполнены в виде одной детали.
Затем собирается узел, состоящий из торцевой крышки 9 с уплотнительным кольцом 1, ограничительного кольца 2, неподвижного диска 10 с уплотнительным кольцом 3, неподвижного колеса 21. Все элементы данного узла жестко соединены между собой, а ось, проходящая через отверстия в неподвижном диске 10, совпадает с осью, проходящей через боковое отверстие в неподвижном колесе 21. В другом варианте изобретения в боковом отверстии неподвижного колеса 21 размещены пластины, расположенные под определенным углом к оси, проходящей через боковое отверстие и центр неподвижного колеса 21, предпочтительно под углом от 30 до 60 градусов. В другом варианте изобретения неподвижное колесо 21 и неподвижный диск 10 выполнены в виде одной детали.
Затем собирается узел, состоящий из торцевой крышки 15 с уплотнительным кольцом 8, ограничительного кольца 7, неподвижного диска 14 с уплотнительным кольцом 6, неподвижного колеса 23. Все элементы данного узла жестко соединены между собой, а ось, проходящая через отверстия в неподвижном диске 14, совпадает с осью, проходящей через боковое отверстие в неподвижном колесе 23. В другом варианте изобретения в боковом отверстии неподвижного колеса 23 размещены пластины, расположенные под определенным углом к оси, проходящей через боковое отверстие и центр неподвижного колеса 23, предпочтительно под углом от 30 до 60 градусов. В другом варианте изобретения неподвижное колесо 23 и неподвижный диск 14 выполнены в виде одной детали.
Далее с одной стороны напорного корпуса 20 устанавливается ранее собранный узел, состоящий из торцевой крышки 9 с уплотнительным кольцом 1, ограничительного кольца 2, неподвижного диска 10 с уплотнительным кольцом 3, неподвижного колеса 21, причем боковое отверстие в неподвижном колесе 21 совпадает с выходным отверстием патрубка входа концентрата 18. Крепление торцевой крышки 9 к напорному корпусу 20 осуществляется стандартным способом, аналогичным креплению крышек в напорных корпусах для размещения обратноосмотических мембран (на рис. 1 не показано).
Далее со свободной стороны напорного корпуса 20 до упора свободной поверхности вращающегося диска 4 в обращенную внутрь корпуса поверхность неподвижного диска 10 вставляется ранее собранный узел, состоящий из соединительной оси 12, надетого на нее разделительного поршня 22, жестко скрепленных с соединительной осью 12 двух поворотных колес 11 и 13 и жестко скрепленными с ними вращающимися дисками 4 и 5 соответственно.
Далее со свободной стороны напорного корпуса 20 до упора свободной поверхности неподвижного диска 14 в обращенную внутрь корпуса поверхность вращающегося диска 5 вставляется ранее собранный узел, состоящий из торцевой крышки 15 с уплотнительным кольцом 8, ограничительного кольца 7, неподвижного диска 14 с уплотнительным кольцом 6, неподвижного колеса 23, причем боковое отверстие в неподвижном колесе 23 совпадает с выходным отверстием патрубка входа исходной воды 19. Крепление торцевой крышки 15 к напорному корпусу 20 осуществляется стандартным способом, аналогичным креплению крышек в напорных корпусах для размещения обратноосмотических мембран (на рис. 1 не показано).
В другом варианте изобретения сквозные отверстия в неподвижных дисках 10 и 14 смещены относительно друг друга на определенный угол. В другом варианте изобретения сквозные отверстия в неподвижных дисках в каждом из динамических клапанов смещены соответственно относительно друг друга на угол 45, 90 или 180 градусов.
Далее к подводящим патрубкам 18 и 19, соединенным с напорным корпусом 20, подсоединяются магистрали подачи концентрата обратного осмоса и исходной воды соответственно (на рис. 1 не показаны). В варианте изобретения, подводящие патрубки, регулирующие входящие потоки воды, расположены тангенциально по отношению к цилиндрической поверхности питающих камер.
Далее к отводящим патрубкам 16 и 17, соединенным с торцевыми крышками 10 и 15 соответственно, подсоединяются магистрали отвода концентрата обратного осмоса и исходной воды соответственно (на рис. 1 не показаны).
Устройство работает следующим образом.
Концентрат после установки обратного осмоса под высоким давлением подается в одну из питающих камер (питающую камеру концентрата обратного осмоса А-А) через патрубок входа концентрата 18 (рис. 1) в боковое отверстие неподвижного колеса 21 с установленными в нем направляющими перегородками. Под действием кинетической энергии потока концентрата на направляющие перегородки поворотного колеса 11 поворотное колесо 11 поворачивается вокруг своей оси (рис. 2-4). Вместе с поворотом вокруг своей оси поворотного колеса 11 происходит поворот жестко связанного с ним поворотного колеса 13 (рис. 1-5). При этом разделительный поршень 22 перемещается вдоль соединительной оси 12 внутри напорного корпуса 20 из одного крайнего положения (рис. 1) в другое (рис. 5). Соответственно, во время этого перехода динамический клапан, образованный неподвижным диском 10 и вращающимся диском 4, жестко связанным с поворотным колесом 11, остается закрытым, а динамический клапан, образованный неподвижным диском 14 и вращающимся диском 5, жестко связанным с поворотным колесом 13, остается открытым. Исходная вода через отводящий патрубок 17, соединенный с магистралью подачи исходной воды в установку обратного осмоса, удаляется из питающей камеры исходной воды Б-Б под высоким давлением за счет перемещения разделительного поршня 22.
Перемещение разделительного поршня 22 из одного крайнего положения в другое синхронизировано с вращением поворотного колеса 11 под действием кинетической энергии потока концентрата за счет подачи концентрата обратного осмоса и исходной воды с соответствующим расходом. В момент достижения разделительным поршнем крайнего противоположного положения поворотное колесо 11 поворачивается так, что против подводящего патрубка 18 и бокового отверстия с направляющими перегородками неподвижного колеса 21 оказывается та часть поворотного колеса 11, которая не имеет направляющих перегородок, а поворотное колесо 11 поворачивается так, что против подводящего патрубка 19 и бокового отверстия с направляющими перегородками неподвижного колеса 23 оказывается та часть поворотного колеса 13, которая имеет направляющие перегородки.
Под действием кинетической энергии потока исходной воды на направляющие перегородки поворотного колеса 13 поворотное колесо 13 поворачивается вокруг своей оси (рис. 6-9). Вместе с поворотом вокруг своей оси поворотного колеса 13 происходит поворот жестко связанного с ним поворотного колеса 11 (рис. 6-9). При этом разделительный поршень 22 перемещается вдоль соединительной оси 12 внутри напорного корпуса 20 из одного крайнего положения (рис. 5) в другое (рис. 9). Соответственно во время этого перехода динамический клапан, образованный неподвижным диском 14 и вращающимся диском 5, жестко связанным с поворотным колесом 13, остается закрытым, а динамический клапан, образованный неподвижным диском 10 и вращающимся диском 4, жестко связанным с поворотным колесом 11, остается открытым. Концентрат обратного осмоса через отводящий патрубок 16, соединенный с магистралью отвода концентрат обратного осмоса, удаляется из питающей камеры концентрата обратного осмоса А-А под низким давлением за счет перемещения разделительного поршня 22.
Далее цикл повторяется. Таким образом, потенциальная энергия концентрата используется для повышения давления исходной воды, тем самым снижает затраты электрической энергии на опреснение морской воды.