АВТОНОМНАЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
AUTONOMOUS DESALINATION PLANT

Изобретение относится к области опреснения морской воды, в частности к автономным опреснительным установкам, и может быть использовано для получения питьевой воды, особенно в регионах, лишенных чистых пресных водоемов и централизованных источников электрической и тепловой энергии.
Известен «Теплонасосный опреснитель соленой воды» (Патент на изобретение RU №2363662, МПК C02F 1/00, 2009), который содержит камеру испарения соленой воды, камеру конденсации паров пресной воды, замкнутый контур рабочего вещества, оснащенный компрессором и содержащий в камере испарения теплообменник «рабочее вещество-соленая вода» нагрева соленой воды, а также установленный в камере конденсации паров пресной воды теплообменник «рабочее вещество-пары пресной воды» конденсации паров пресной воды. Выход компрессора соединен с входом в теплообменник «соленая вода-рабочее вещество» нагрева соленой воды. Выход рабочего вещества из теплообменника «соленая вода-рабочее вещество» нагрева соленой воды соединен с входом рабочего вещества в теплообменник «рабочее вещество-пары пресной воды» камеры конденсации пресной воды. Выход рабочего вещества из теплообменника «рабочее вещество-пары пресной воды» конденсации паров пресной воды соединен с входом в компрессор. Контур подвода поступающей на опреснение соленой воды включает камеру нагрева, при этом к нижней части камеры нагрева подсоединена оснащенная насосом система подвода соленой воды, а к верхней части камеры подсоединена система отвода нагретой соленой воды в верхнюю часть дополнительно установленного скруббера. Скруббер оснащен системой подачи поступающей сверху подогретой соленой воды к установленным в верхней части скруббера форсункам распыления в объем скруббера нагретой соленой воды. Скруббер также оснащен системой подачи воздуха от нагнетателя снизу противотоком к распыляемой сверху массе нагретой соленой воды и системой отвода вниз соленой воды с повышенной концентрацией солей, а также контуром отвода вверх из скруббера насыщенного парами пресной воды воздуха в камеру конденсации паров пресной воды с размещенным в ее объеме и входящим в замкнутый контур рабочего вещества теплообменником «рабочее вещество-пары пресной воды» конденсации паров пресной воды.
Во втором варианте камера конденсации паров пресной воды дополнительно оснащена размещенным под теплообменником «рабочее вещество-пары пресной воды» теплообменником «соленая вода-нагретая пресная вода» предварительного подогрева поступающей на опреснение соленой воды с оснащенным насосом контуром подвода соленой воды. При этом выход подогретой соленой воды из камеры конденсации паров соединен с входом в камеру нагрева соленой воды с размещенным в ее объеме теплообменником «соленая вода-рабочее вещество». К верхней части камеры нагрева соленой воды подсоединена система отвода нагретой соленой воды в верхнюю часть дополнительно установленного скруббера. Техническим результатом при использовании изобретения является сокращение удельного потребления энергии на опреснение соленой воды, повышение экологической безопасности процесса опреснения соленой воды, получение возможности расширения диапазона производительности опреснительных установок, а также повышение их надежности за счет обеспечения возможности полной автоматизации процесса.
Недостатком указанного изобретения является необходимость обеспечения электроэнергией теплонасосного опреснителя соленой воды по причине присутствия различных нагнетателей в его составе, которые требуют подсоединения к внешнему централизованному источнику электрической энергии или автономному источнику большой мощности, сложность обеспечения автономного режима работы установки, что существенно снижает спектр условий ее использования. Кроме этого присутствие контура теплового насоса в составе установки усложняет ее эксплуатацию и снижает надежность работы.
Также известна «Гелиоопреснительная установка» (Патент на изобретение RU №2165890, МПК C02F 1/04, C02F 1/14, 2001 г.), состоящая из солнечного коллектора и многосекционного вакуумного дистиллятора. Испытательный и испарительно-конденсационные теплообменники дистиллятора выполнены в виде спиральных трубок с горизонтальным расположением витков. Откачка рассола из дистиллятора осуществляется с помощью водовоздушного эжектора. Удельная производительность установки зависит от числа используемых секций и составляет 1-3 л дистиллята в час с квадратного метра солнечного коллектора.
Недостатком такого изобретения является громоздкость и, как следствие, высокая металлоемкость конструкции устройства, а также неудобства в процессе монтажа и эксплуатации. Кроме этого функционирование установки связано с работой нагнетателей, входящих в ее состав, которые требуют значительного количества электрической энергии. Все это снижает экономическую эффективность опреснения воды и делает невозможным ее автономную работу без внешних источников электрической энергии.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «Опреснительная установка» (Патент на полезную модель RU №81720, МПК C02F 1/04, 2009 г.), принятая за прототип, включающая испарительную камеру, барботажную камеру, конденсатор, снабженный сборником дистиллята, ванну для рассола, снабженную сборником осадка, насос для подачи опресняемой воды через деаэратор в ванну для рассола, питательный насос для подачи концентрированного рассола из ванны для рассола в испарительную камеру, верхняя часть которой соединена через фильтр-уловитель сухих частиц со смесителем, обеспечивающим поступление перегретого пара через ванну для рассола в нижний открытый торец барботажной камеры, размещенный в концентрированном рассоле ванны для рассола, в верхнем торце барботажной камеры размещен сепаратор для разделения пара на два потока, по ходу первого потока пара расположен конденсатор, по ходу второго потока пара расположены последовательно соединенные компрессор, перегреватель пара и смеситель. Опреснительная установка дополнительно снабжена тепловым насосом, обеспечивающим передачу тепла от конденсатора к перегревателю пара. Испарительная камера установки снабжена диспергатором-разбрызгивателем и парогенератором. Барботажная камера снабжена рассекателем пара, размещенным в нижнем торце барботажной камеры.
Недостатками прототипа являются его сложность и громоздкость и, как следствие, низкая надежность. Кроме этого работа установки напрямую связана с высокими энергозатратами, обусловленными получением перегретого пара, а также работой различных нагнетателей в составе установки, требующих значительного количества электрической энергии от внешнего централизованного источника электроэнергии или автономного источника большой мощности, что или не позволяет обеспечить автономный режим работы установки, или требует значительных капитальных затрат на ее создание. В итоге оба обстоятельства ограничивают возможность использования опреснительной установки.
Техническим результатом является создание компактной автономной опреснительной установки повышенной энергетической эффективности.
Технический результат достигается тем, что в автономной опреснительной установке, включающей емкость опресняемой воды, испарительную камеру, нагревательный элемент, барботажное устройство, конденсатор-сепаратор, емкость-сборник пресной воды, в цилиндрической испарительной камере со съемным дном и съемной крышкой, в форме усеченного конуса, ниже уровня опресняемой воды установлен нагревательный элемент, соединенный с солнечны коллектором, под которым размещено барботажное устройство, под которым установлен конденсатор-сепаратор, соединенный змеевиком с емкостью-сборником пресной воды, при этом конденсатор-сепаратор соединен трубой через нагнетатель воздуха, подключенный к солнечной батарее, с барботажным устройством и соединен трубой с зоной паровоздушной смеси под крышкой испарительной камеры. Емкость опресняемой воды установлена выше испарительной камеры, снабженной датчиком уровня воды, и соединена с ней посредством переливной трубы с клапаном, причем выходная часть трубы расположена у дна испарительной камеры. Барботажное устройство выполнено в форме плоской спирали из трубы с отверстиями диаметром 1-3 мм, установлено горизонтально отверстиями вверх.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема автономной опреснительной установки. Автономная опреснительная установка содержит емкость опресняемой воды 1, испарительную камеру 2, емкость-сборник пресной воды 3. Емкость опресняемой воды 1 установлена выше испарительной камеры 2 и соединена с ней посредством переливной трубы 4. Переливная труба 4 снабжена клапаном 5, соединенным с датчиком уровня воды 6 в испарительной камере 2. Входное отверстие для переливной трубы 4 расположено в верхней части испарительной камеры 2, а выходная часть переливной трубы 4 расположена в нижней части испарительной камеры 2. Испарительная камера 2 выполнена в форме цилиндра со съемным дном 7 и съемной крышкой 8, крепление дна 7 и крышки 8 к испарительной камере 2 выполнено, например, фланцевым. Выполнение дна 7 и крышки 8 съемными обеспечивает возможность осмотра и очистки испарительной камеры 2. Крышка 8 выполнена в форме усеченного конуса, ее внутренняя поверхность и уровень воды образуют зону паровоздушной смеси 9. В верхней части испарительной камеры 2 уровня опресняемой воды установлен нагревательный элемент 10, например, в виде змеевика из медной трубы, соединенный с солнечным коллектором 11, циркуляция теплоносителя в контуре «солнечный коллектор 11 - нагревательный элемент 10» происходит естественным образом. Под нагревательным элементом 10 размещено барботажное устройство 12. Барботажное устройство 12 выполнено в форме плоской спирали из трубы, например медной с отверстиями диаметром 1-3 мм, установлено горизонтально отверстиями вверх. Под барботажным устройством 12 установлен конденсатор-сепаратор 13 соединенный змеевиком 14 с емкостью-сборником пресной воды 3. Конденсатор-сепаратор 13 соединен трубой 15 через нагнетатель воздуха 16 с барботажным устройством 12. Нагнетатель воздуха 16 подключен к солнечной батарее 17. Конденсатор-сепаратор 13 соединен трубой для паровоздушной смеси 18 с зоной паровоздушной смеси 9.
Принцип действия автономной опреснительной установки основан на законе равновесного состояния парогазожидкостных смесей. Результатом действия сил тепло- и массообмена в процессе барботажа воздуха через слой нагретой воды будет охлаждение воды до температуры, близкой к температуре термодинамического равновесия, соответствующей температуре увлажненного термометра, которая ниже температуры насыщения воды при том же давлении. Теплота, выделяющаяся в этом процессе, идет на дополнительную генерацию обессоленного водяного пара.
Опреснительная установка паровоздушного типа работает следующим образом. Исходная опресняемая вода из емкости опресняемой воды 1 по переливной трубе 4 через клапан 5 поступает в нижнюю часть испарительной камеры 2. Нагревательный элемент 10 за счет подвода тепловой энергии от солнечного коллектора 11 обеспечивает нагрев воды до температуры, близкой температуре кипения, в зоне нагрева 19 (в зоне размещения нагревательного элемента 10 и над ним). Ненасыщенный воздух по трубе 15 посредством нагнетателя 16 через барботажное устройство 12 подается в зону нагрева 19, где в процессе барботажа насыщается влагой, и направляется в зону паровоздушной смеси 9 под крышкой 8 испарительной камеры 2.
Далее паровоздушная смесь из зоны паровоздушной смеси 9 по трубе для паровоздушной смеси 18 поступает в конденсатор-сепаратор 13, где в процессе теплообмена с опресняемой водой испарительной камеры 2 осушается: конденсат (обессоленная вода) по змеевику 14 поступает в приемную емкость пресной воды 3, а ненасыщенный воздух направляется по трубе 15 к нагнетателю воздуха 16. При этом в результате теплообмена в конденсаторе-сепараторе 13 и змеевике пресной воды 14 с опресняемой водой происходит утилизация теплоты конденсации и охлаждения опресненной воды. Вода с повышенным солесодержанием (рассол) из зоны нагрева 19 над барботажным устройством 12 за счет большей плотности опускается ко дну 7 испарительной камеры 2. Удаление рассола осуществляется через кран слива рассола 20. При снижении уровня воды в испарительной камере 2 по сигналу датчика уровня 6 открывает клапан 5 и исходная опресняемая вода из емкости исходной воды 1 по переливной трубе 4 поступает в нижнюю часть испарительной камеры 2. Поскольку исходная опресняемая вода имеет меньшую плотность, чем рассол, то она естественным образом будет поступать в зону нагрева 19, дополнительно нагреваясь за счет восприятия тепловой энергии от конденсатора-сепаратора 13 и змеевика 14 пресной воды.
Заявляемая автономная опреснительная установка является компактной, обладает повышенной энергетической эффективностью за счет дополнительной генерации пара, полной утилизации теплоты конденсации паров паровоздушной смеси в конденсаторе-сепараторе и охлаждения конденсата в змеевике пресной воды, что снижает затраты тепловой энергии на процессы нагрева воды в установке.