УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ
DEVICE FOR WATER DESALINATION

Изобретение относится к области опреснения морской соленой и загрязненной воды и может использоваться в системах водоснабжения жилых зданий, коммерческих и производственных объектов разной величины, имеющих доступ к соленым водоемам и скважинам.
Известен солнечный опреснитель (Патент на полезную модель РФ №150516, МПК C02F 1/04, 2015 г.), который содержит солнечные батареи, соединенные магистралью с коллектором на стойках плавающей платформы. Коллектор, установленный на определенной высоте, соединен с входным патрубком парогенератора улиточного типа, который установлен в емкости ниже уровня моря и соединен с камерой конденсации. Соответственно, в качестве испарительной камеры используется парогенератор, который за счет создаваемого внутри себя разрежения позволяет производить испарение жидкости при пониженных температурах.
Недостатками указанного опреснителя являются ограниченные возможности по регулировке параметров опреснительного процесса и как следствие - низкая производительность.
Известен опреснитель морской воды, использующий технологию распыления жидкости в испарительной камере (Патент на полезную модель РФ №81953, МПК C02F 1/14, 2009 г.), состоящий из соединенных переходным трубопроводом конденсатора и испарителя, имеющего нагнетающий и сливной трубопроводы, на первом из которых вне испарителя установлен нагнетающий насос, а внутри испарителя распылители воды, испаритель выполнен в виде герметичного бака и изготовлен из прочного и теплопроводящего материала, внешняя поверхность которого имеет селективное покрытие, обеспечивающее эффективное поглощение солнечной радиации, кроме того, дополнительно введены вакуумный насос, установленный на переходном трубопроводе, циркуляционный трубопровод с установленным на нем циркуляционным насосом, подсоединенный к испарителю, электромагнитный вентиль, установленный на сливном трубопроводе, и датчик уровня морской воды, установленный внутри испарителя, при этом выход датчика уровня соединен с входом управления степенью открытия электромагнитного вентиля.
Недостатками данного опреснителя являются сложность конструкции, высокая стоимость за счет большого количества насосного оборудования, низкая производительность и повышенные затраты энергии на единицу продукта.
Наиболее близкой по конструкции является гелиоопреснительная установка (Патент на изобретение РФ №2117634, МПК C02F 1/14, 1997 г.), принятая за прототип, содержащая солнечный коллектор, многосекционный дистиллятор с вертикальным расположением секций, соединенных между собой по теплоносителю с помощью прямого и обратного трубопроводов, испарительный и испарительно-конденсационные теплообменники и теплообменник конденсатора, испарительный и испарительно-конденсационные теплообменники выполнены в виде спиральных трубок с установленными на них шайбами, к теплообменнику конденсатора подсоединен водовоздушный эжектор, соединенный с ним последовательно в контур, а оросители выполнены в виде съемных разбрызгивателей и установленных под ними растекателей.
Недостатками прототипа является низкая удельная производительность установки и сложность конструкции, что повышает стоимость и снижает отказоустойчивость системы.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении производительности опреснительной установки, в повышении отказоустойчивости установки, в оптимизации режимов работы установки при различных климатических условиях, в полной автоматизации процесса опреснения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для опреснения морской воды, содержащем 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.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема устройства для опреснения морской воды, на фиг. 2 приведена конструкция обратных водоэмульсионных спринклеров для создания водовоздушной эмульсии.
Устройство для опреснения морской воды содержит емкость исходной воды 1, соединенную с испарительной камерой 2 через запорный клапан 3. Испарительная камера 2 снабжена солнечным коллектором 4 и образует с ним контур нагрева, циркуляцию жидкости в котором обеспечивает циркуляционный насос 5. Испарительная камера 2 выполнена с возможностью создания в ней разрежения посредством вакуумного насоса 6. Вакуумный насос 6 также обеспечивает отведение пара в конденсатор 7, выполненный в виде змеевика, соединенного с емкостью опресненной воды 8. Конденсатор 7 расположен в емкости исходной воды 1, являющейся теплообменником. В нижней части испарительной камеры 2 установлены обратные водоэмульсионные спринклеры 9 для создания водовоздушной эмульсии, а в верхней части испарительной камеры 2 в зоне выхода пара установлены пластины вторичной эмиссии 10. Устройство оснащено первым комбинированным датчиком уровня/солености жидкости 11, вторым комбинированным датчиком уровня/солености жидкости 12, датчиком давления 13 и первым датчиком температуры 14, установленными в испарительной камере 2. А также вторым датчиком температуры 15, установленным на выходе солнечного коллектора 4. Комбинированные датчики уровня/солености жидкости 11 и 12 измеряют уровни жидкости (номинально - два) с помощью измерения сопротивления между каждым датчиком 11 и 12 и корпусом испарительной камеры 2, а измерение солености реализуется путем измерения сопротивления между двумя датчиками 11 и 12 при условии заполнения жидкостью обоих уровней. Испарительная камера 2 снабжена патрубком для слива рассола с отсечным клапаном 16. Все датчики, а также насосы и запорная арматура, выполненные управляемыми, подсоединены к контроллеру (на чертеже не показан). Обратные водоэмульсионные спринклеры 9 для создания водовоздушной эмульсии содержат патрубок забора воздуха, оснащенный задвижкой 17, соединенный трубками 18 с камерами смешения 19. Каждая камера смешения 19 выполнена цилиндрической с кольцевым щелевым отверстием 20, а выходное отверстие снабжено последовательно размещенными конфузором 21 и диффузором 22, при этом в нижней части камеры смешения 19 установлен ультразвуковой излучатель 23, полость под которым заполнена упругим материалом 24, например резиной, а перед входным отверстием камеры смешения 19 в трубке 18 установлен патрубок 25 с соплом для подвода воды.
Устройство для опреснения морской воды работает следующим образом. Испарительная камера 2 заполняется исходной жидкостью, поступающей из емкости исходной воды 1. Уровень жидкости определяется первым 11 и вторым 12 комбинированными датчиками уровня/солености жидкости и регулируется контроллером посредством запорного клапана 3. Исходная жидкость в испарительной камере 2 подогревается, проходя через солнечный коллектор 4 с помощью циркуляционного насоса 5. Данные о температуре исходной жидкости на выходе из солнечного коллектора 4 фиксируются вторым датчиком температуры 15 и поступают в контроллер, регулирующий работу циркуляционного насоса 5. Когда температура и давление в испарительной камере 2 достигают оптимальных величин, фиксируемых датчиком давления 13 и первым датчиком температуры 14, контроллером автоматически запускается процесс опреснения, посредством запуска обратных водоэмульсионных спринклеров 9 для создания водовоздушной эмульсии и вакуумного насоса 6, обеспечивающего постоянное разрежение в испарительной камере 2. Обратные водоэмульсионные спринклеры 9 для создания водовоздушной эмульсии обеспечивают создание в испарительной камере 2 водовоздушной эмульсии. По сигналу контроллера открывается задвижка 17. С помощью задвижки 17 контроллером регулируется как расход поступающего воздуха, так и уровень разрежения в испарительной камере 2, а соответственно и производительность всей опреснительной установки. Под действием постоянного разрежения в испарительной камере 2, поддерживаемого вакуумным насосом 6, воздух из окружающей атмосферы по трубкам 18 поступает в камеры смешения 19. Исходная вода поступает в камеры смешения 19 по патрубкам 25 с соплом, по принципу струйного насоса, и через кольцевые щелевые отверстия 20. В камере смешения 19 образуется водовоздушная смесь. Ультразвуковой излучатель 23 производит колебательные движения на частоте собственного резонанса под управлением контроллера, в результате чего в камере смешения 19 происходит дробление пузырьков воздуха на гораздо более мелкие пузырьки с образованием водовоздушной эмульсии. За счет наличия большого количества микроскопических пузырьков в воде (консистенция пены) в несколько раз увеличивается поверхность испарения жидкости, а соответственно и производительность испарителя. Интенсивный выход водовоздушной эмульсии из камеры смешения 19 в испарительную камеру 2 обеспечивают последовательно установленные конфузор 21 и диффузор 22. Для снижения затрат энергии на возмущение пластины ультразвукового излучателя 23 и упрощения конструкции, полость под ним заполнена упругим материалом 24, осуществляющим обратный ход пластины ультразвукового излучателя 23 при разжимании упругого материала 24. Для предотвращения попадания брызг соленой воды в насыщенный пар на выходе из испарительной камеры 2 установлены пластины вторичной эмиссии 10, выполненные в виде нагревательных элементов, с возможностью подключения к источнику питания, например солнечным коллектором. Вторичная эмиссия в данном случае называется второй по очереди этапа выделения частиц водяного пара из исходной жидкости, которая в виде водяных брызг долетает до нагретых пластин вторичной эмиссии 10 и касается их, при этом соли и другие микроэлементы оседают на пластинах вторичной эмиссии 10, а частицы водяного пара испускаются (эмитируются) в испарительную камеру 2. Вакуумный насос 6 выполняет функцию поддержания постоянного разрежения в испарительной камере 2 и обеспечивает откачку насыщенного пара из испарительной камеры 2. Ввиду постоянного разрежения в испарительной камере 2 температура парообразования значительно понижается, что позволяет производить испарение жидкости при существенно меньших энергозатратах. Вакуумный насос 6 с постоянной производительностью откачивает насыщенный пар из испарительной камеры 2 в конденсатор 7, в виде змеевика, расположенный в емкости исходной воды 1, где насыщенный пар переходит в жидкое состояние с выделением тепла. Опресненная вода, сконденсированная в конденсаторе 7, поступает в емкость опресненной воды 8. Тепло, выделяющееся при конденсации пара в конденсаторе 7, подогревает исходную жидкость в емкости исходной воды 1. Поступление подогретой исходной жидкости из емкости исходной воды 1 в испарительную камеру 2 регулируется контроллером посредством управляемого запорного клапана 3. Удаление рассола из испарительной камеры 2 через управляемый отсечной клапан 16 регулируется контроллером. Работа устройства для опреснения морской воды может осуществляться полностью в автоматическом режиме под управлением контроллера, осуществляющего измерение температур, давлений, солености, уровней жидкости, соответствующими датчиками, и инициирующего своевременный слив рассола из испарительной камеры 2, долив исходной жидкости из емкости исходной воды 1, включение/выключение контура нагрева исходной жидкости солнечным коллектором 4 с циркуляционным насосом 5, регулировку производительности устройства для опреснения морской воды, удаленную диспетчеризацию и интеграцию с другими системами жизнеобеспечения.
Таким образом, реализация предложенного устройства позволяет повысить производительность опреснительной установки, повысить отказоустойчивость установки, снизить зависимость работы установки от климатических условий, полностью автоматизировать процесс опреснения.