Способ вакуумного опреснения солёной воды и устройство для его осуществления
METHOD FOR VACUUM CONVERSION OF SALT WATER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемое изобретение относится к технологии опреснения морской воды вакуумным дистилляционным методом. Предпочтительные области применения данного изобретения - опреснение воды, например, морской воды и обезвреживание непригодной для употребления пресной воды в районах с засушливым климатом и большим количеством солнечных дней в условиях ограниченного или полного отсутствия электроснабжения, например, - для жизнеобеспечения автономных подразделений (отдельных воинских подразделений, погранзастав, геологических баз и т.п.), а также для обеспечения чистой пресной водой сельскохозяйственных производств.
Известен способ опреснения соленой воды и устройство для его осуществления [Способ опреснения соленой воды и устройство для его реализации. - Заявка на изобретение RU 2004118163/15. Дата подачи заявки 2004.06.15., дата публикации заявки 2005.11.20. Класс 7 C02F 1/04]. Данный способ предполагает нагрев соленой воды, в том числе и в магистрали ее подвода, парообразование при низком давлении в полости кипения, последующие конденсацию пара и отвод пресной воды. Вакуумирование в полости кипения создается эжекцией пара путем подачи на выход из нее в качестве активного потока части опресненной воды. Подача соленой воды в полость кипения осуществляется в диспергированном виде и тангенциально.
Для реализации данного способа предлагаемое устройство включает полость кипения с тангенциально установленным диспергирующим устройством и нагревателем, каналы подвода соленой воды и отвода рассола, канал отвода пара из полости кипения в резервуар сбора опресненной воды. В канале подвода соленой воды также установлен нагреватель. В канале отвода пара размещены эжектирующие устройства с установленным за ними теплообменником.
Недостатками данного способа являются:
- сложность в удалении неконденсируемых газов деаэрации соленой воды, обусловленная постоянной принудительной подачей соленой воды под давлением на диспергаторы;
- наличием тумана из капель соленой воды, образовавшегося после ее диспергирования возможность попадания соленых капель в эжектор и далее -в резервуар для сбора опресненной воды;
- значительное энергопотребление на единицу массы получаемой пресной воды.
Перечисленные недостатки повышают стоимость пресной воды и делают невозможным опреснение воды в условиях недостаточного электроснабжения.
Известен способ опреснения и установка для его реализации [Апельцин И.Э., Клячко В.А. Опреснение воды. - М: Изд. литературы по строительству, 1968. - 220 с., ил.]. Данный способ предполагает парообразование и конденсацию при низком давлении, которое в сообщающихся полостях кипения и конденсации создается эжекцией насыщенного пара из полости конденсации. При этом в качестве активного потока используется пар, направляемый для нагрева опресняемой воды. В полости кипения организованы принудительная подача и циркуляция опресняемой соленой воды, отвод рассола и опресненной воды. Между полостями кипения и конденсации создается разность температур за счет одновременного нагрева полости кипения и охлаждения полости конденсации.
Опреснитель, описанный в [Апельцин И.Э., Клячко В.А. Опреснение воды. - М: Изд. литературы по строительству, 1968. - 220 с., ил.] имеет магистрали подвода соленой воды на опреснение и отвода рассола, регулятор уровня опресняемой воды в испарителе, полости кипения и конденсации, связанные друг с другом посредством короткого паропровода, насосы циркуляции опресняемой воды через нагреватель, отвода рассола, отвода опресненной воды.
Недостатками данного способа являются:
- высокое энергопотребление для получения пара высокого давления (и, следовательно, - высокой температуры), используемого для эжекционного вакуумирования;
- потребность в высокотемпературном источнике тепла и в непрерывной работе насоса подачи пресной воды на парогенератор эжектора.
Перечисленные недостатки, как и в предыдущем аналоге, повышают стоимость пресной воды и делают невозможным опреснение воды в условиях недостаточного электроснабжения.
Известно, что в опресняемой воде содержатся неконденсируемые растворенные газы, которые выходят из воды и снижают производительность конденсатора опреснителя. Для их удаления традиционно применяется дополнительное вакуумирование, например - упомянутым выше эжектированием полости конденсации или с использованием роторных и поршневых вакуумных систем с селекцией неконденсируемой и конденсируемой и фаз и, возвратом конденсируемой фазы в рабочий контур либо ее отводом. Применяется также общеизвестный вытеснительный метод (например, удаление воздуха из систем оборотного теплоснабжения, или удаление воздуха из различных гидравлических систем автомобиля).
Известен способ вакуумного опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его реализации [Способ получения дистиллированной воды и устройство для его реализации. - Заявка на изобретение 2005100268/15 от 20 июня 2006]. Способ предполагает гидростатическое вакуумирование единой полости кипения-конденсации по линиям подачи соленой воды, отвода рассола и отвода пресной воды, непрерывную насосную подачу опресняемой воды и использование для кипения и конденсации холодильный цикл, удаление неконденсируемых газов методом вытеснения опресненной водой.
Недостатками данного способа и устройства являются:
- сложность в одновременной реализации двух конкурирующих процессов: гидростатическое вакуумирование магистрали подачи соленой воды ее непрерывное напорное пополнение;
- из-за принудительной подачи соленой воды увеличивается поступление в опреснитель растворенных газов, активно выходящих из соленой воды в вакуумной полости испарителя-конденсатора, что приводит к увеличению числа циклов вытеснения неконденсируемых газов в расчете на один литр получаемой пресной воды;
- в полости кипения-конденсации при вытеснении из нее неконденсируемых газов опресненной водой происходит ее смешивание с соленой водой, всегда находящейся в нижней части данной полости.
Известен способ вакуумного опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его реализации [Способ опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его осуществления. - Патент на изобретение №2335459 от 2008 г. Заявка №2007109239, приоритет от 13 марта 2007 г]. Данный способ предполагает гидростатическое вакуумирование парового пространства над зеркалом жидкостей в сообщающихся полостях кипения и конденсации до уровней давления насыщенного пара в каждой из этих полостей. Данный способ, предполагает нагрев соленой воды, в том числе и регенеративный в магистрали ее подвода, парообразование при низком давлении в полости кипения, последующие конденсацию пара в полости конденсации и отвод из нее опресненной воды, отвод рассола из полости кипения.
Давление насыщенного пара, соответствующее данной температуре и солености опресняемой воды, достигается и поддерживается в полости кипения естественным образом за счет ее гидростатического вакуумирования. То есть - за счет подъема полости кипения на высоту, превышающую высоту атмосферного гидростатического столба опресняемой соленой воды относительно резервуара ее подачи в опреснитель, например - моря, являющегося одновременно и резервуаром сброса рассола, с которым полость кипения связана соответствующими магистралями. Аналогично осуществляется и гидростатическое вакуумирование полости конденсации, которая поднята на соответствующую высоту относительно резервуара сбора опресненной воды.
К полости кипения тепло подводится, а от полости конденсации равное или даже большее количество тепла отводится. По этой причине температура и, соответственно давление насыщенного пара, в полости кипения выше, чем в полости конденсации. За счет этого перепада давления насыщенного пара происходит его движение из полости кипения в полость конденсации.
Реализация способа, описанного в [Способ опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его осуществления. - Патент на изобретение №2335459 от 2008 г. Заявка №2007109239, приоритет от 13 марта 2007 г.], основана на достижении в полостях кипения и конденсации и постоянном поддержании в них методом гидростатического вакуумирования условия, общего и для кипения, и для конденсации вещества. Этим условием является равенство давления насыщенного пара вещества давлению окружающей среды (то есть - давлению в данном объеме) [см. стр. 168, 468 - табл. 26 в справочнике: Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с., ил.,].
Физическая суть данного способа следующая. Если подаваемая вода полностью деаэрирована, то за счет гидростатического вакуумирования полостей кипения и конденсации в них кроме насыщенного пара воды нет других газов. Соответственно и давление среды в этих полостях над зеркалом жидкости будет равно давлению только одного газа - насыщенного пара воды. По этой причине, если к полости кипения, отвакуумированной гидростатическим способом, будет подводиться тепло, то кипение в ней соленой воды начнется, и будет происходить при той текущей температуре, с которой она поступила в полость кипения.
Соответственно в полости конденсации, поднятой на указанную для нее высоту по отношению к приемнику опресненной воды и отвакуумированной гидростатическим способом, вследствие теплоотвода будет происходить конденсация пара.
Если в подаваемой воде растворены газы, то они при понижении давления по мере приближения воды к отвакуумированной полости кипения и затем при кипении будут выходить из воды. Общее давление в газовой полости станет равно сумме давления насыщенного пара и давления газов дегазации воды. Это приведет к росту температуры кипения.
При реализации данного способа по мере выкипания воды в полости кипения в эту полость из резервуара соленой воды под действием атмосферного давления будут поступать новые порции соленой воды со скоростями на входе в испаритель, близкими к нулю.
Для удаления из полости кипения рассола, имеющего более высокую плотность, чем поступающая на опреснение соленая вода, от него в полости кипения, в области, примыкающей к точке стока рассола, частично отводится тепло. Это приводит к дополнительному повышению плотности рассола и способствует его удалению из полости кипения. Дополнительная интенсификация процесса удаления рассола достигается за счет отбора от него тепла в линии отведения рассола и повышения за счет этого его плотности.
При реализации данного способа конденсирующаяся вода постоянно стремится повысить уровень жидкости в полости конденсации. Однако в связи с тем, что полость конденсации через магистраль отвода опресненной воды связана с соответствующим открытым резервуаром, весь приход конденсата будет туда свободно стекать.
При реализации данного способа массообмен между полостью кипения и связанными с ней резервуарами, а также массообмен между полостью конденсации и связанным с ней резервуаром опресненной воды будут происходить вследствие стремления системы «внутренние полости опреснителя - внешняя атмосфера» к состоянию статического равновесия при выполнении условия равенства внешнего атмосферного давления сумме следующих давлений:
- для полости кипения - сумме давления насыщенного пара воды, соответствующего температуре в данной полости, давления неконденсируемых газов (если соленая вода предварительно не деаэрируется) и гидростатического давления столба соленой воды (или рассола - для магистрали отвода рассола);
- для полости конденсации - сумме давления насыщенного пара воды, соответствующего температуре в данной полости, давления неконденсируемых газов и гидростатического давления столба опресненной воды.
Из-за разности температур и соответственно давлений насыщения в полостях опреснителя возникает поток пара в сторону полости конденсации.
При такой организации кипячения деаэрированной соленой воды не требуется высокая температура источника тепла для работы нагревателя в полости кипения. Единственное требование к уровню температуры нагревателя следующее: ее минимальное значение должно быть выше температуры соленой воды в исходном резервуаре на суммарную величину температурных потерь на стенке теплообменника, составляющих, как правило, (1…3)°C, температурного напора на дополнительный подогрев соленой воды на ≈0,5°C (по сравнению с пресной) и еще ≈0,5°C на обеспечение работы выхода парового пузыря (работы по преодолению сил поверхностного натяжения соленой воды). Это позволяет использовать для реализации заявляемого способа низкопотенциальные источники тепла, например, солнечную радиацию либо промышленные тепловые сбросы.
Опреснитель как устройство, описанный в [Способ опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его осуществления. - Патент на изобретение №2335459 от 2008 г. Заявка №2007109239, приоритет от 13 марта 2007 г], включает резервуар соленой воды, магистраль ее подачи на опреснение, регенеративный теплообменник, полость кипения (испаритель), нагреватель полости кипения, датчик уровня воды в полости кипения, паропровод, датчик параметров газовой фазы (давление, температура), полость конденсации (конденсатор), устройство сброса тепла конденсации, магистраль отвода опресненной воды, резервуар сбора опресненной воды.
В результате проведенного сопоставительного анализа рассмотренных выше способов опреснения и устройств для их реализации, по числу признаков, общих с заявляемым способом и устройством, способ опреснения и устройство для его реализации, описанный в [Способ опреснения деаэрированной соленой воды и устройство для его осуществления. - Патент на изобретение №2335459 от 2008 г. Заявка №2007109239, приоритет от 13 марта 2007 г], выбран в качестве прототипа.
Прототип обладает следующим недостатком: необходимость использования деаэрированной соленой воды и включение деаэратора в составе опреснителя.
В противном случае в сообщающихся полостях кипения и конденсации, как указывалось выше, будет происходить постепенное накопление неконденсируемых газов. При этом будет развиваться следующая последовательность событий. Во-первых, выход неконденсируемых газов в сообщающиеся полости кипения и конденсации приведет к пропорциональному росту суммарного давления пара и газа. Оно превысит значение давления насыщенного пара, соответствующего данной температуре. Кипение на время прекратится, и подводимое тепло станет расходоваться не на фазовый переход воды, а на увеличение температуры соленой воды до новой точки кипения, соответствующей данному суммарному давлению. Теоретически из-за накопления неконденсируемых газов температура кипения может достигнуть температурного максимума низкопотенциального источника тепла.
Во-вторых, присутствие неконденсируемых газов значительно снижает интенсивность теплоотдачи от пара к теплоотводящим поверхностям в конденсаторе, что в первую очередь и снижает производительность опреснителя [Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М. «Энергия», 1973. 320 с., стр. 141]. Кроме этого накопление неконденсируемой фазы в полостях кипения и конденсации приведет к постепенному переходу режима струйного течения пара из полости кипения в полость конденсации в режим его диффузионного движения. При этом коэффициент диффузии водяного пара по мере роста давления неконденсируемой фазы будет снижаться, что также приводит к снижению производительности опреснителя.
В-третьих, повышение давления в полости кипения приводит к пропорциональному понижению в ней уровня воды, что может привести к оголению части поверхности нагревателя то есть - к снижению площади поверхности теплоподвода к соленой воде. Это также снижает производительность опреснителя. В пределе возможно снижение уровня соленой воды вплоть до нижней точки нагревателя и потеря контакта соленой воды с нагревателем.
При отсутствии системы глубокой деаэрации соленой воды для реализации способа по прототипу потребуется применение соответствующей системы отвода неконденсируемых газов (неконденсируемой фазы) из полостей кипения и конденсации, например, вакуумных насосов либо потребуется достаточно частая остановка опреснителя на проведение операции по удалению неконденсируемых газов методом вытеснения.
Для промышленных опреснителей наличие системы глубокой деаэрации соленой воды и (или) системы вакуумирования полостей кипения и конденсации либо системы удаления неконденсируемой фазы, отвечающих указанным выше требованиям, не является фактором, заметно усложняющим и удорожающим опреснитель. Однако для небольших опреснительных установок, предназначенных в первую очередь для бытовой эксплуатации, например, в фермерских хозяйствах или для жизнеобеспечения автономных подразделений подобное усложнение нежелательно.
Задачей изобретения является разработка такого способа вакуумного опреснения с гидростатическим вакуумирование полостей кипения и конденсации и создание такого устройства для его реализации, которые бы позволили снизить частоту выполнения циклов удаления неконденсируемых газов, например, методом вытеснения, в расчете на единицу массы получаемой опресненной воды при опреснении соленой воды, не подвергнутой глубокой деаэрации.
Сущность изобретения видна из сопоставления совокупности общих с прототипом и отличительных существенных признаков. Заявляемое изобретение как способ опреснения соленой воды имеет следующие общие с прототипом существенные признаки:
- гидростатическое вакуумирование полостей кипения и конденсации соленой и пресной водой соответственно;
- кипячение соленой воды в полости кипения и конденсация водяного пара в полости конденсации;
- удаление из полостей кипения и конденсации накопившихся неконденсируемых газов.
Заявляемое изобретение как способ опреснения соленой воды по сравнению с прототипом имеет следующие отличительные существенные признаки.
Первым отличительным существенным признаком предлагаемого способа от прототипа и аналогов является то, что полости кипения и конденсации при выполнении их гидростатического вакуумирования заполняют соленой и пресной водой соответственно, и на это время указанные полости разобщают.
Вторым отличительным существенным признаком предлагаемого способа от прототипа является то, что кипячение соленой воды производят с периодическим пополнением полости кипения соленой водой (по мере ее выкипания) вплоть до достижения концентрации соли, близкой к точке насыщения, либо до накопления предельного количества неконденсируемых газов в полостях кипения и конденсации, после чего указанные полости также разобщают.
Третьим отличительным существенным признаком предлагаемого способа от прототипа является то, что вытеснение неконденсируемых газов из разобщенных полостей кипения и конденсации производят соленой и пресной водой соответственно, а полость кипения при сливе из нее концентрированного рассола сообщают с атмосферой.
Заявляемое изобретение как устройство для опреснения соленой воды имеет следующие общие с прототипом и аналогами существенные признаки:
- сообщающиеся друг с другом по линии движения пара полости кипения и конденсации;
- наличие магистралей соленой и пресной воды, связанных с полостями кипения и конденсации соответственно;
Заявляемое изобретение как устройство опреснения соленой воды имеет по сравнению с прототипом следующие отличительные существенные признаки.
Первым отличительным существенным признаком предлагаемого устройства является то, что в линии движения пара из полости кипения в полость конденсации установлен клапан, закрывающийся при заполнении полостей кипения и конденсации соответствующими жидкостями и выполнении их гидростатического вакуумирования, при удалении из них накопившихся неконденсируемых газов методом вытеснения, при сливе концентрированного рассола из полости кипения.
Вторым отличительным существенным признаком предлагаемого устройства является оснащение полостей кипения и конденсации управляемыми клапанами (клапанами перелива), открывающимися в соответствующих полостях при выполнении операций по их заполнению, а в полости кипения кроме этого и при сливе концентрированного рассола.
Третьим отличительным существенным признаком предлагаемого устройства является то, что магистраль соленой воды имеет два параллельных участка: участок подачи и участок слива. На участке подачи последовательно насосу соленой воды установлен управляемый клапан, который открывается одновременно с включением насоса соленой воды при заполнении полости кипения перед ее гидростатическим вакуумированием и при удалении из полости кипения неконденсируемых газов методом вытеснения, на участке слива установлен управляемый клапан, который открывается при гидростатическом вакуумировании полости кипения и при сливе из нее концентрированного рассола (рапы).
Совокупность общих с прототипом и новых существенных признаков заявляемого изобретения достаточна для достижения следующих технических результатов.
Первым достигаемым техническим результатом при осуществлении заявляемого способа опреснения является резкое снижение притока неконденсируемых газов в полости кипения и конденсации и соответствующее уменьшение числа циклов их удаления из данных полостей в расчете на единицу массы получаемой пресной воды. Это обусловлено тем, что по мере выхода неконденсируемых газов из соленой воды и их последующего вытеснения из полостей кипения и конденсации снижается и их остаток в соленой воде, находящейся в полости кипения и в магистрали соленой воды. По этой причине при периодическом пополнении полости кипения в находящейся в ней соленой воде не только не будет восстанавливаться исходная концентрация растворенных газов, но от цикла к циклу вытеснения неконденсируемых газов произойдет и последовательное снижение концентрации газов, растворенных в соленой воде. Это приведет, в свою очередь, к увеличению продолжительности каждого последующего отрезка времени между операциями удаления неконденсируемых газов, то есть - к снижению частоты проведения операции вытеснения в расчете на единицу массы получаемой опресненной воды. Причем снижение частоты будет пропорционально отношению объемов соленой воды в полости кипения и в магистрали соленой воды.
Вторым достигаемым техническим результатом при осуществлении заявляемого способа, является снижение требований к глубине деаэрации (дегазации) соленой воды, подаваемой на опреснение.
Кроме этого, вследствие того, что клапан подачи соленой воды практически все время закрыт (он открывается только на момент пополнения полости кипения соленой водой, при заполнении полости кипения для вытеснения неконденсируемых газов или перед началом опреснения) исключается диффузионное поступление растворенных солей от рассола в полости кипения и в магистрали соленой воды в емкость предварительной подготовки (частичной деаэрации) соленой воды. Поэтому третьим (дополнительным) достигаемым техническим результатом при осуществлении заявляемого способа является получение технологического отхода в виде рассола высокой концентрации (рапа) - сырья для получения поваренной и других солей, входящих в состав опресняемой воды.
Увеличение массовой доли выхода дистиллята и снижение числа циклов удаления неконденсируемого газа, приходящихся на единицу массы дистиллята, приводит к снижению суммарных затрат электроэнергии на опреснение воды. Это особенно важно при применении предлагаемого изобретения в районах, где нет электрических сетей, но есть возможность использования солнечных батарей с накопителями электроэнергии в качестве источника электроэнергии для работы насосов и автоматики. Возможен также вариант применения ручных насосов (вместо центробежных) и полного отказа от применения автоматики.
Так как в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом возможно опреснение как недеаэрированной, так и частично деаэрированной воды, то достигаемым техническим результатом при осуществлении заявляемого устройства вакуумного опреснения соленой воды является его упрощение (нет необходимости в системе глубокой деаэрации опресняемой воды). Такое упрощение приводит к повышению надежности устройств опреснения соленой воды и снижению стоимости опресненной воды.
Суть изобретения поясняет чертеж (см. фиг. 1). На нем позициями обозначено:
1. Резервуар нулевого уровня соленой воды.
2. Нулевой уровень в линии соленой воды.
3. Приемник тепла предварительного нагрева, например, солнечный коллектор.
4. Расходный бак системы предварительной подготовки и частичной деаэрации соленой воды.
5. Равновесный уровень высоты атмосферного гидростатического столба соленой воды.
6. Приемник тепла фазового перехода воды, например, солнечный коллектор.
7. Датчик минимального уровня соленой воды.
8. Датчик наличия жидкости в линии сброса перелива соленой воды.
9. Клапан перелива соленой воды.
10. Датчик давления в линии сброса перелива соленой воды.
11. Датчик отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости кипения.
12. Вакуумметр.
13. Клапан перелива опресненной воды.
14. Датчик наличия жидкости в линии сброса перелива опресненной воды.
15. Датчик давления в линии сброса перелива опресненной воды.
16. Уровень максимальной высоты атмосферного гидростатического столба опресненной воды.
17. Полость конденсации.
18. Магистраль опресненной воды.
19. Насос подачи опресненной воды (например, центробежный).
20. Нулевой уровень гидростатического вакуумирования в линии опресненной воды.
21. Емкость выдачи опресненной воды потребителю.
22. Емкость приема опресненной воды.
23. Магистраль соленой воды.
24. Насос подачи соленой воды (например, центробежный).
25. Клапан слива соленой воды.
26. Регенеративный теплообменник системы предварительного подогрева и частичной деаэрации соленой воды.
27. Клапан подачи соленой воды.
28. Полость кипения.
29. Датчик температуры и солености воды.
30. Клапан сообщения полостей кипения и конденсации.
31. Датчик отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости конденсации.
На чертеже (фиг. 1) обозначено:
1
Q - тепло предварительного нагрева воды;
2
Q - тепло фазового перехода воды.
Реализация заявляемого способа вакуумного опреснения соленой воды и работа устройства для его осуществления происходит следующим образом.
1
1
Если позволяет мощность источника низкопотенциального тепла, то целесообразно к соленой воде от приемника тепла предварительного нагрева 3 (см. фиг. 1) подводить тепло Q. Это позволит нагревать соленую воду в расходном баке 4 системы предварительной подготовки и производить ее частичную деаэрацию за счет снижения растворимости газов в воде при ее нагреве. Приемником тепла предварительного нагрева 3 (тепла Q) может служить, например, солнечный коллектор.
Для заполнения соленой водой полости кипения 28 закрывается клапан сообщения полостей кипения и конденсации 30, и посредством насоса подачи соленой воды 24 через открытый клапан подачи соленой воды 27 и магистраль соленой воды 23 происходит заполнение полости кипения 28 (клапан слива соленой воды 25 закрыт). При этом для выпуска воздуха из полости кипения 28 на время ее заполнения открыт клапан перелива соленой воды 9, находящийся в верхней части полости кипения 28. Заполнение полости кипения 28 производится до момента срабатывания датчика наличия жидкости в линии сброса перелива соленой воды 8. После чего закрываются клапан перелива соленой воды 9 и клапан подачи соленой воды 27, а также отключается насос подачи соленой воды 24. Затем открывается клапан слива соленой воды 25, и соленая вода под действием гравитационных сил начнет стекать в резервуар нулевого уровня соленой воды 1. Еще до приближения уровня соленой воды к равновесному уровню 5 сработает датчик 11 отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости кипения. Затем через заданный промежуток времени (выбирается опытно для гарантированного установления равновесного уровня 5 в полости кипения 28) закрывается клапан слива соленой воды 25.
Необходимо отметить, что высота равновесного уровня 5, на котором остановится соленая вода в полости кипения 28, будет определяться давлением ее насыщенного пара, соответствующим температуре соленой воды, а также количеством вышедших из воды растворенных газов. Факт достижения гидростатического равновесия в полости кипения можно установить, например, по прекращению стока излишка соленой воды из резервуара нулевого уровня соленой воды 1.
Соленость и связанная с ней плотность воды на положение равновесного уровня 5 в полости кипения 28 влияет значительно меньше. Необходимо отметить также, что соленость воды, в пределах солености вод в естественных водоемах, слабо влияет на давление насыщенного пара.
Если для целей опреснения используется солнечное тепло, то вследствие суточного колебания тепловых потоков температура соленой воды в полости испарения 28 и, следовательно, давление насыщенного пара воды будут изменяться. Следовательно, будет изменяться и высота ее равновесного уровня 5. В любом случае, с учетом колебаний величины атмосферного давления и суточного изменения температуры соленой воды (то есть ее плотности), высота равновесного уровня 5 относительно нулевого уровня в линии соленой воды 2 не будет превосходить отметку в 10 м, то есть - максимальную высоту атмосферного гидростатического столба пресной воды.
После закрытия клапана подачи соленой воды 27 пополняется расходный бак системы предварительного подогрева и частичной деаэрации соленой воды 4 для подготовки следующей порции соленой воды.
Одновременно или последовательно с заполнением полости кипения 28 посредством насоса подачи опресненной воды 19 через магистраль опресненной воды 18 производится заполнение полости конденсации 17 (для этого емкость приема опресненной воды 22 должна быть предварительно заполнена). При этом для выпуска воздуха из полости конденсации 17 открыт клапан перелива опресненной воды 13, находящийся в верхней части полости конденсации 17. Заполнение полости конденсации 17 производится до момента срабатывания датчика наличия жидкости в линии перелива опресненной воды 14. После чего клапан перелива опресненной воды 13 закрывается и отключается насос подачи опресненной воды 19. После его остановки прямо через полость этого насоса опресненная вода под действием гравитационных сил начнет стекать обратно в емкость приема опресненной воды 22. При приближении уровня пресной воды к равновесному уровню 16 сработает датчик 31 отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости конденсации 17. Затем через определенный промежуток времени (определяется опытным путем) уровень воды в полости конденсации 17 примет равновесное состояние.
Равновесный уровень (высота атмосферного гидростатического столба опресненной воды в полости конденсации 17 относительно нулевого уровня гидростатического вакуумирования в линии опресненной воды 20 будет определяться температурой воды в полости конденсации 17 и атмосферным давлением. Он не будет превосходить отметку в 10 м, то есть максимальную высоту атмосферного гидростатического столба пресной воды.
После срабатывания датчика 11 - датчика отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости кипения 28 и датчика 31 - датчика отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости конденсации 17 и установления гидростатического равновесия открывается клапан сообщения полостей кипения и конденсации 30. То есть срабатывание и датчика 31, и датчика 11 является достаточным условием для исключения случайного попадания соленой воды из полости кипения 28 в полость конденсации 17 и наоборот
2
2
Далее начинается кипячение соленой воды в полости кипения 28. От приемника тепла фазового перехода воды 6, например, солнечного коллектора, через теплообменники, находящиеся, например, на внешней поверхности полости кипения 28 (как показано на чертеже фиг. 1) к соленой воде начинает подводиться тепло фазового перехода воды Q. При этом поднимется давление насыщенного пара в полости кипения 28, и он через клапан сообщения полостей кипения и конденсации 30 начинает перемещаться в полость конденсации 17. Там пар сконденсируется вследствие отвода этого же тепла Q в окружающую среду, например, через оболочку полости конденсации 17.
Капли конденсата стекают вниз, стремясь тем самым повысить уровень воды в полости конденсации 17. Однако эта полость напрямую связана с емкостью приема опресненной воды 22 (на чертеже фиг. 1 - через центробежный насос подачи опресненной воды 19), сообщающейся с атмосферой. Вследствие существующего баланса давлений: с одной стороны - суммарного гидростатического давления столба пресной воды и давления насыщенного пара и неконденсируемых газов в полости конденсации 17, и с другой стороны - атмосферного давления, весь образующийся конденсат будет стекать в емкость приема опресненной воды 22, сохраняя границу раздела фаз в полости конденсации 17 на прежнем уровне.
Вся опресненная вода при достижении ею в емкости приема опресненной воды 22 нулевого уровня гидростатического вакуумирования в линии опресненной воды 20 перетекает в емкость выдачи опресненной воды потребителю 21.
По мере нагрева и кипячения соленой воды в полости кипения 28 будет происходить выход растворенных в воде неконденсируемых газов в паровое пространство. При этом суммарное давление пара и неконденсируемых газов в сообщающихся полостях кипения 28 и конденсации 17 будет расти, что фиксируется вакуумметром 12 и сравнивается системой управления с суммой табличного значения давления насыщения, которое соответствует данной температуре и солености воды (определяемых датчиком солености и температуры воды 29) и допускаемого давления неконденсируемых газов. Эта сумма не должна превосходить некоторую предельную величину.
Из-за присутствия неконденсируемых газов движение пара как сплошной среды постепенно переходит в диффузионную форму, что снижает расход пара из полости кипения 28 в полость конденсации 17. Кроме этого непосредственно у поверхности стенки в полости конденсации 17 (поверхность теплоотвода) неконденсируемые газы затрудняют контакт молекул воды с поверхностью теплоотвода и снижают на этой поверхности коэффициент теплоотдачи от пара к стенке.
2
Так как клапаны слива соленой воды 25 и подачи соленой воды 27 закрыты рост давления в полостях кипения 28 и конденсации 17 приводит к превышению скорости понижения уровня воды в полости конденсации 17 по сравнению со скоростью понижения уровня соленой воды в полости кипения 28 (по мере ее выкипания). Вследствие снижения уровня воды в полости конденсации 17 будет увеличиваться площадь отвода тепла Q от водяного пара в окружающую среду. Это в какой-то мере компенсирует снижение производительности устройства опреснения, вызванного появлением неконденсируемых газов. Однако негативное влияние механизма диффузии паров воды через неконденсируемые газы к поверхности теплоотвода в полости конденсации 17 со временем станет преобладающим.
Для восстановления производительности устройства опреснения неконденсируемые газы из сообщающихся полостей кипения 28 и конденсации 17 удаляются вытеснением: из полости кипения 28 вытеснение производится соленой водой, а из полости конденсации 17 - опресненной водой. Для исключения перетекания жидкостей из одной полости устройства опреснения, в другую во время вытеснения неконденсируемых газов закрывается клапан сообщения полостей кипения и конденсации 30. Затем запускается насос подачи соленой воды 24 и открывается клапан подачи соленой воды 27 и запускается насос подачи опресненной воды 19. При подъеме уровня соленой воды в полости кипения 28 накопившиеся в ней неконденсируемые газы соберутся перед клапаном перелива соленой воды 9, и при достижении давления перед ним, равному атмосферному, по срабатыванию датчика давления в линии сброса перелива соленой воды 10 клапан перелива соленой воды 9 откроется. Неконденсируемые газы будут вытеснены в линию сброса перелива соленой воды. При срабатывании датчика наличия жидкости в линии сброса перелива соленой воды 8 закроются клапаны перелива соленой воды 9 и подачи соленой воды 27, отключится насос подачи соленой воды 24, откроется клапан слива соленой воды 25. После этого в результате слива избыточного количества соленой воды произойдет гидростатическое вакуумирование полости кипения 28 аналогично описанному выше. Через заданный промежуток времени после срабатывания датчика 11 - датчика отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости кипения (промежуток времени, достаточный для установления равновесного уровня в полости кипения 28), либо после прекращения стока излишка соленой воды из резервуара нулевого уровня соленой воды 1 закроется клапан слива соленой воды 25. Полость кипения 28 подготовлена к продолжению работ.
Аналогично происходит вытеснение неконденсируемых газов из полости конденсации. После закрытия клапана сообщения полостей кипения и конденсации 30 включается насос подачи опресненной воды 19. При подъеме уровня воды в полости конденсации 17 накопившиеся в ней неконденсируемые газы соберутся перед клапаном перелива опресненной воды 13, и при достижении давления перед ним, равного атмосферному, по команде датчика давления жидкости в линии сброса перелива опресненной воды 15 откроется клапан перелива опресненной воды 13. Несконденсированные газы будут вытолкнуты в линию сброса перелива опресненной воды. При срабатывании датчика наличия жидкости в линии сброса перелива опресненной воды 14 закрывается клапан перелива опресненной воды 13 и отключается насос подачи опресненной воды 19. Произойдет гидростатическое вакуумирование полости конденсации 17. После срабатывания датчика отсутствия жидкости выше максимального уровня воды в полости конденсации 30 полость конденсации 17 считается подготовленной к новому циклу опреснения (установление в ней равновесного гидростатического уровня произойдет далее естественным образом). Затем открывается клапан сообщения полостей кипения и конденсации 30 и начинается новый цикл опреснения.
Так как после закрытия клапана подачи соленой воды 27 полость кипения 28 разобщена с источником соленой воды (расходным баком системы предварительной подготовки соленой воды 3), то по мере выкипания воды ее уровень в полости кипения 28 будет снижаться. Он опустится до минимально допустимого уровня, который контролируется по датчику минимального уровня соленой воды 7. Далее для восполнения уровня соленой воды в полости кипения 28 открывается клапан подачи соленой воды 27. Вода из расходного бака системы предварительной подготовки и частичной деаэрации соленой воды 4 под действием атмосферного давления через полость насоса подачи соленой воды 24 поднимется по магистрали соленой воды 23 в полость кипения 28. Через заданный промежуток времени (достаточный для установления в полости кипения равновесного уровня воды 28) клапан подачи соленой воды 27 закроется.
2
По мере выкипания воды в полости кипения 28 и пополнения этой полости новыми порциями соленой порциями воды в ней будет повышаться концентрация соли. Это приведет, как отмечалось выше, к росту температуры кипения воды и ее приближению к температурному порогу низкопотенциального источника тепла Q. По этой причине при достижении предельного значения концентрации соли, определенной, например, по датчику солености и температуры воды 29 будет произведено удаление концентрированного рассола из полости кипения. Для этого полость кипения 28 и полость конденсации 17 разобщаются путем закрытия клапана сообщения полостей кипения и конденсации 30. Затем откроются клапан слива соленой воды 25 и клапан перелива соленой воды 9 (для обеспечения поступления воздуха в полость кипения 28 и свободного слива концентрированного рассола). При сливе концентрированного рассола от него через регенеративный теплообменник системы предварительного подогрева и частичной деаэрации соленой воды 26 в подготавливаемую соленую воду отводится запасенное тепло. После удаления концентрированного рассола клапан перелива соленой воды 9 остается открытым, а клапан слива соленой воды 25 закрывается. Затем открывается клапан подачи соленой воды 27 и запускается насос подачи соленой воды 24. Происходит заполнение магистрали соленой воды 23 и полости кипения 28 новой порцией соленой воды вплоть до срабатывания датчика наличия жидкости в линии сброса перелива соленой воды 8. Затем закрываются клапан перелива соленой воды 9 и клапан подачи соленой воды 27, отключается насос подачи соленой воды 24 и на заданный промежуток времени открывается клапан слива соленой воды 25. После этого в результате слива избыточного количества соленой воды произойдет гидростатическое вакуумирование полости кипения 17, после чего откроется клапан сообщения полостей кипения и конденсации 30 и опреснение возобновляется.
Факт достижения предельной концентрации соли может быть определен не только по датчику солености воды, но и по разнице температур, установившейся естественным образом в полостях кипения и конденсации. Это обусловлено тем, что температура кипения соленой воды непрерывно растет по мере повышения ее солености, а температура в полости конденсации остается примерно на одном уровне (при неизменности температуры окружающего воздуха как среды - приемника тепла конденсации воды).
Таким образом, за счет использования новых существенных отличий изобретения по сравнению с прототипом получены указанные выше технические результаты, что позволило решить поставленную задачу изобретения.