ОПРЕСНИТЕЛЬ МОРСКОЙ ВОДЫ

Техническое решение относится к устройствам опреснения морской воды, использующих энергию солнечной радиации, и может быть использовано в районах, страдающих от недостатка пресной воды и имеющих избыточное количество морской воды.
Известные устройства для опреснения морской воды, использующие энергию солнечной радиации, являются либо очень дорогими и экономически невыгодными, либо требуют больших эксплуатационных расходов, защиты от внешних погодных факторов, вандалов, отложения солей и т.д.
Известен опреснитель морской воды (патент РФ 2295498, вид документа С2, дата публикации 2007.03.20, регистрационный номер заявки 2005114980/15, основной индекс МПК 7 С02F 1/14), содержащий соединенные трубопроводом конденсатор и испаритель, который представляет собой полусферический бескаркасный купол (группу куполов) переменного поперечного сечения, выполненный из паровоздухонепроницаемой ткани черного цвета, прозрачной для инфракрасных лучей солнечной радиации (перкаль), а для повышения эффективности испарения соленая вода подогревается с помощью нагретого воздуха, подаваемого вентиляторами, и разбрызгивается распылителями - форсунками в рабочем объеме испарителя.
Работа опреснителя заключается в подаче морской воды в испаритель, ее испарения за счет энергии солнечной радиации и теплого воздуха, разбрызгивания с помощью форсунок и подачи образовавшихся паров в конденсатор для получения пресной воды.
Известный опреснитель критичен к погодным условиям (осадки, сильный ветер), отложению солей на рабочих поверхностях и их загрязнению, сложен и дорог в обслуживании, плохо защищен от действий вандалов, способных разрезать указанную ткань и т.д.
Кроме того, неиспарившаяся в испарителе, но нагретая вода, используется неэффективно, а именно отводится в специальный резервуар для использования в ночное время, что требует дополнительных затрат как на капиталовложения, так и на эксплуатационные расходы.
Наиболее близким к техническому решению является опреснитель морской воды Кашеварова (патент РФ 2099289, вид документа С1, дата публикации 1997.12.20, регистрационный номер заявки 96105661/25, основной индекс МПК 7 С02F 1/14), состоящий из соединенных трубопроводом герметичного испарителя морской воды и конденсатора пара в конденсат, при этом испаритель для испарения использует энергию солнечной радиации и теплого воздуха, подаваемого вентиляторами, и имеет нагнетающий и сливной трубопроводы, на первом из которых вне испарителя установлен насос для непрерывной подачи морской воды, а внутри испарителя распылители - форсунки.
Работа опреснителя заключается в подаче морской воды в испаритель, ее испарения за счет энергии солнечной радиации и теплого воздуха, разбрызгивания с помощью форсунок и подачи образовавшихся паров в конденсатор для получения пресной воды.
Прототип также критичен к погодным условиям (осадки), отложению солей на рабочих поверхностях и их загрязнению, сложен и дорог в обслуживании, плохо защищен от действий вандалов, способных разбить стекло из которого сделан парник - испаритель и т.д.
Например, предлагается установка железобетонного забора высотой 3 м на расстоянии 3-4 м от опреснителя для его защиты от штормового ветра и особый учет преимущественного направления ветров в зоне его установки.
Кроме того, неиспарившаяся в испарителе, но нагретая вода, используется неэффективно, а именно либо отводится в специальный резервуар в виде рассола для дальнейшего использования в получении солей, что требует дополнительных затрат как на капиталовложения, так и на эксплуатационные расходы, либо просто сливается в море.
Решаемая техническая задача в предлагаемом техническом решении заключается в снижении критичности опреснителя к погодным условиям, отложению солей и загрязнению рабочих поверхностей, повышению ван-далозащищенности, упрощению и уменьшению стоимости обслуживания, в возможности использования неиспарившейся воды для компенсации потерь тепла в испарителе.
Решаемая техническая задача в опреснителе морской воды, состоящем 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 достигается тем, что 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 морской воды соединен с входом управления степенью открытия электромагнитного вентиля.
На чертеже схематично изображен опреснитель морской воды.
Опреснитель морской воды, изображенный на чертеже, состоит из соединенных переходным трубопроводом 1 конденсатора 2 и испарителя 3, имеющего нагнетающий 4 и сливной 5 трубопроводы, на первом из которых вне испарителя 3 установлен нагнетающий насос 6, а внутри испарителя распылители 7 воды. Испаритель 3 выполнен в виде герметичного бака и изготовлен из прочного и теплопроводящего материала, внешняя поверхность 8 которого имеет селективное покрытие, обеспечивающее эффективное поглощение солнечной радиации. Кроме того, дополнительно введены
вакуумный насос 9, установленный на переходном трубопроводе 1, циркуляционный трубопровод 10 с установленным на нем циркуляционным насосом 11, подсоединенный к испарителю 3, электромагнитный вентиль 12, установленный на сливном трубопроводе 5, и датчик уровня 13 морской воды, установленный внутри испарителя 3, при этом выход датчика уровня 13 морской воды соединен с входом управления степенью открытия электромагнитного вентиля 12.
Рассмотрим работу опреснителя морской воды.
Энергия радиации солнечного света поглощается селективным покрытием 8 испарителя 3. Селективное покрытие 8 имеет высокий коэффициент поглощения солнечной радиации.
Поглощенная энергия, преобразованная в тепло, нагревает поверхность испарителя 3 и заключенный в нем начальный объем пара и морской воды за счет конвекционного переноса.
Далее включается нагнетающий насос 6, подающий соленую воду по нагнетающему трубопроводу 4 в испаритель 3. Соленая вода поступает на распылители 7, форсунки, расположенные в объеме испарителя 3, и распыляется, обеспечивая повышение площади испаряемой воды.
Начинается активный процесс парообразования, определенный собственным теплом воды и ее нагревом за счет солнечной радиации в испарителе 3, расположением испарителя 3 на высоте, не менее максимальной высоты столба жидкости водяного барометра опресняемой воды (принцип Торричелли), распылением воды с помощью распылителей 7.
Активный процесс парообразования усиливается за счет включения вакуумного насоса 9, который создает дополнительную разность давлений. Кроме того, вакуумный насос 9 позволяет удалить из испарителя любые нерастворимые частицы, находящиеся в морской воде.
Образовавшийся пар из испарителя 3 отводится вакуумным насосом 9 и подается по переходному трубопроводу 1 в конденсатор 2, где пар конденсирует в пресную воду.
Конденсатор 2 может быть любым из известных типов. Его задача обеспечить пропуск необходимого объема пара при заданном давлении (т.е. обеспечить низкое гидравлическое сопротивление при заданной теплоотдаче).
Неиспарившаяся вода падает на дно испарителя 3 и накапливается в нем пока электромагнитный вентиль 12, установленный на сливном трубопроводе 5 закрыт.
При этом с образовавшегося зеркала воды в процессе накопления так же происходит испарение, а тепло общего объема неиспарившейся воды используется для компенсации затрат тепла на испарение в испарителе 3.
При достижении неиспарившейся водой уровня 14 (показан пунктирной чертой) срабатывания датчика уровня 13 морской воды электромагнитный вентиль 12 приоткрывается и происходит частичный слив воды в море через сливной трубопровод 5. Дополнение воды до уровня 14 происходит за счет следующих порций неиспарившейся воды.
Так как эффективность процесса испарения изменяется во времени, доля неиспарившейся воды постоянно меняется. Для поддержания квазипостоянным уровня 14 воды в испарителе 3 служит морская вода, подаваемая через циркуляционный трубопровод 10 циркуляционным насосом 11.
При этом скорость подачи морской воды через циркуляционный трубопровод 10 и скорость слива смеси морской и неиспарившейся в испарителе 3 воды через сливной трубопровод 5 регулируются соответственно производительностью циркуляционного насоса 11 (выбирается постоянным) и степенью открытия электромагнитного клапана 12 так, что уровень воды на дне испарителя 3 постоянно находится около уровня 14.
Таким образом, происходит постоянная циркуляция воды, а остывшая смесь неиспарившейся и морской воды заменятся на более теплую.
Значение уровня 14 выбирается в области 1/6-1/8 объема испарителя 3 и подбирается экспериментально при настройке и регулировании опреснителя с помощью микроконтроллерного устройства и его программного обеспечения.
Процесс регулирования может быть осуществлен с помощью любого микроконтроллера с соответствующим программным обеспечением, которые для упрощения материала в данной заявке не рассматриваются.
Для реализации устройства могут быть использованы:
- испаритель 3 из алюминиевого сплава;
- селективное покрытие 8, выполненное, например, методом чернения алюминия или окрашивания черной краской, с дополнительным покрытием стеклопластиком или прозрачной стеклотканью для повышения сохранности селективного покрытия;
- вакуумный насос 9, любой, понижающий давление на 200 мм.рт.ст;
2
- нагнетающий насос 6 с давлением 2 кг/см и расходом 1,5 л/сек;
2
- циркуляционный насос 11 с давлением 1 кг/см и расходом 1 л/сек;
- электромагнитный вентиль, например ЭМВ-43у-ДуХХ-220/27;
- датчик уровня морской воды поплавкового типа с токовым выходом 5-20 мА;
- переходной 1, нагнетающий 4, сливной 5 и циркуляционный 10 трубопроводы из любого металла или пластика, покрашенные в черный, а последний в белый цвета;
- распыляющие устройства 7 - форсунки;
- конденсатор 2 любого типа, удовлетворяющий условию обеспечения пропуска необходимого объема пара при заданном давлении.
3
3
Экономическая целесообразность опреснителя морской воды подтверждена в трех экспериментах на установке с двумя типами испарителей, изготовленных из алюминиевых сплавов (испаритель №1 - 500×250×100 мм и испаритель №2 - 1000×500×100 мм).
2
2
Вакуумный насос 9 понижал давление в испарителе до 200 мм.рт.ст, нагнетающий насос 6 подавал в испаритель 3 воду под давлением 2 кг/см с расходом 1,5 л/с, циркуляционный насос 10 при включении подавал в испаритель 3 воду под давлением 1 кг/см с расходом 1 л/с.
Превышение высоты испарителя 3 над уровнем соленой воды 12 м, температура воды 22°С, температура окружающего воздуха днем 26°С, ночью 20°С. При неработающей установке температура внутри испарителя достигала 40°С, ночью - 20°С.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ УСТАНОВКИ
1. С испарителем №1 (днем - 3,5 л/час; ночью - 1,6 л/час; потребляемая мощность вакуумным турбонасосом 700 Вт, нагнетающим и циркуляционным насосами 1500 Вт).
2. С испарителем №2 (днем - 18 л/час; ночью - 8 л/час; потребляемая мощность прежняя).
3. При параллельной работе обоих испарителей (днем - 22 л/час; ночью - 9 л/час; потребляемая мощность прежняя).
Расчеты показали, что используемые вакуумный насос 9, нагнетающий 6 и циркуляционный 10 насосы могут обеспечить работу каскада опреснителей с производительностью 50-60 л/час.
Обеспечение повышенной вандалозащищенности, простота и низкая стоимость обслуживания, устойчивость к погодным факторам обусловлены изготовлением испарителя 3 из алюминиевого сплава. При этом не требуется соблюдать дополнительных мер осторожности при работе с испарителем, в отличие от стеклянного или тканевого испарителей, его труднее разрушить вандалам, он более устойчив к погодным катаклизмам.
Благодаря низкой температуре кипения в вакуумных испарителях (40-70°С) значительно меньше откладывается накипь, а ее химический состав (преимущественно карбонат кальция) позволяет применять для очистки слабые растворы соляной или серной кислоты. (Коваленко В.Ф. Судовые водоопреснительные установки, 1970, 304 с.)
Использование тепла неиспарившейся воды и дополнительно подаваемой морской воды позволяет скомпенсировать потери тепла в испарителе 3 на испарение и повысить эффективность работы опреснителя.