АВТОНОМНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ОПРЕСНИТЕЛЬ
AUTONOMOUS SOLAR WATER-DISTILLER

Изобретение относится к технике опреснения морских и соленых (минерализованных) вод и может быть использовано для получения опресненной воды без затраты дополнительной энергии.
Известен солнечный опреснитель, содержащий корпус со светопропускающей поверхностью, емкость с минерализованной водой и емкость для сбора конденсата, в котором емкость с минерализованной водой установлена с зазором к боковым стенкам и днищу корпуса опреснителя, на внешнюю поверхность корпуса опреснителя нанесено селективное покрытие с малым коэффициентом поглощения солнечного излучения и большой степенью черноты, на внутреннюю, обращенную к солнечному излучению поверхность емкости с минерализованной водой, нанесено селективное покрытие с большим коэффициентом поглощения солнечного излучения и малой степенью черноты, а на внутреннюю поверхность корпуса, расположенную выше уровня емкости с минерализованной водой, нанесено зеркальное покрытие [патент РФ №2126770, МПК C02 F1/14, 1999].
Основными недостатками известного солнечного опреснителя являются сложность и ненадежность его конструкции, обусловленные тем, что все внутренне покрытия покрываются солевыми отложениями и прекращают нормально функционировать, невозможность использования его конструкции для получения опресненной воды в больших количествах, необходимость его снабжения энергией для подачи морской (минерализованной, соленой) воды на испарение и удаления полученного опресненного конденсата, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является гелиодистиллятор, содержащий корпус с прозрачным покрытием, дефлектор, установленную в корпусе испарительную тарелку с бортиками (испаритель), снабженную питательным патрубком (распределителем) и покрытую снизу слоем гидротеплоизоляции, конденсатор (конденсационная камера), размещенный в нижней части корпуса под тарелкой, погруженный в воду бассейна [авт. св. СССР №1554290, МПК С02F 1/14, 1989].
Основными недостатками известного гелиодистиллятора являются невозможность использования его конструкции для масштабного получения опресненной воды, необходимость периодической очистки поверхности тарелки от солевых отложений и рассола, для чего процесс дистилляции необходимо часто прерывать, необходимость наличия постороннего энергетического источника для насоса откачки полученного дистиллята, что снижает его эффективность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности автономного солнечного опреснителя. Техническая задача реализуется автономным солнечным опреснителем, который содержит прямоугольный корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша которого покрыта сверху фотоэлементами, соединенными с накопительным блоком, внутри корпуса размещен наклонный испарительный лоток с бортиками, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции, делящий полость корпуса на верхнюю испарительную камеру и нижнюю конденсационную камеру, сообщающиеся между собой у бортов корпуса через вертикальные щели, при этом внутренняя поверхность торцов, бортов и днища в нижней конденсационной камере корпуса покрыты решеткой из полос пористого материала, в верхнем торце лотка у правого торца корпуса расположен впускной коллектор, представляющий собой заглушенную на торцах горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной нагреваемой воды и соединенную трубопроводом с погружным питательным насосом, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой, нижний торец лотка соединен с выпускной горизонтальной щелью, устроенной в левом торце корпуса, днище корпуса в центре соединено с емкостью для сбора конденсата, в которой помещен конденсатный насос, при этом большая часть корпуса, в которой расположена конденсационная камера, погружена в водоем, питательный и конденсатный насосы снабжаются электроэнергией из накопительного блока фотоэлементов, а уклон лотка направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном, равным углу естественного откоса воды.
Предлагаемый автономный солнечный опреснитель изображен на фиг. 1-6 (на фиг. 1 показан общий вид, на фиг. 2-6 - основные узлы и их разрезы).
Автономный солнечный опреснитель содержит прямоугольный корпус 1, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша 2 которого покрыта сверху фотоэлементами 3, соединенными с накопительным блоком 4 (соединительные электропровода на фиг. 1-5 не показаны), внутри корпуса 1 размещен наклонный испарительный лоток с бортиками 5, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции 6, делящий полость корпуса 1 на верхнюю испарительную камеру 7 и нижнюю конденсационную камеру 8, сообщающиеся между собой у бортов корпуса 1 через вертикальные щели 9, при этом внутренняя поверхность торцов, бортов и днища 10 в нижней конденсационной камере 8 корпуса 1 покрыты решеткой из полос пористого материала 11, в верхнем торце лотка 5 у правого торца корпуса 1 расположен впускной коллектор 12, представляющий собой заглушенную на торцах горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной воды, соединенную трубопроводом 13 с погружным питательным насосом 14, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой 15, нижний торец лотка 5 соединен с выпускной горизонтальной щелью 16, устроенной в левом торце корпуса 1, днище 10 корпуса 1 в центре соединено с емкостью для сбора конденсата 17, в которой помещен конденсатный насос 18, при этом большая часть корпуса 1, в которой расположена конденсационная камера 8, погружена в водоем 15, питательный и конденсатный насосы 14 и 18 снабжаются электроэнергией из накопительного блока 4 фотоэлементов 3 (соединительные электропровода на фиг. 1-5 не показаны), а уклон лотка 5 направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном, равным углу естественного откоса воды.
В основу работы предлагаемого автономного солнечного опреснителя положено свойство фотоэлементов 3 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [авт. св. СССР №1603152, МПК F24 J2/32, 1990].
Автономный солнечный опреснитель работает следующим образом. Корпус 1 погружается в водоем с морской (минерализованной, соленой) водой 14 таким образом, чтобы большая часть конденсационной камеры 8 корпуса 1 была погружена в водоем 15, выпускная горизонтальная щель 16 находилась над уровнем воды в водоеме 15, а крышка 2 была горизонтальной (для обеспечения равномерного приема солнечных лучей в течение светового дня). Такое положение корпуса 1 обеспечивается или соотношением между его весом и центром тяжести, или установкой его на якоря. Далее к распределителю 12 через трубопровод 13 присоединяют погружной питательный насос 14, глубину погружения которого Н выбирают из условий отсутствия в воде механических загрязнений, и включают его в работу (насос 14 снабжается электроэнергией от аккумулятора (на фиг. 1-6 не показан)) в накопительном блоке 4). При падении солнечных лучей на поверхность фотоэлементов 3 в них осуществляется преобразование воспринятой солнечной энергии в электрическую и тепловую энергии. При этом, полученное в фотоэлементах 3 электричество, направляется в накопительный блок 4, где осуществляется трансформация напряжения, силы тока и накопление электрической энергии, которая затем расходуется на привод насосов 14 и 18, а в случае избытка может быть направлено посторонним потребителям. Устойчивая и эффективная работа фотоэлементов 3 обеспечивается непрерывным отводом тепла от них, который осуществляется тем, что полученная в фотоэлементах 3 в результате трансформации солнечной энергии тепловая энергия непрерывно отводится через стенку крыши 2, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, в испарительную камеру 7. В испарительной камере 7 поступившее тепло расходуется на нагрев минерализованной питательной воды, движущейся по наклонному испарительному лотку с бортиками 5 в сторону его нижнего торца самотеком за счет его уклона. Последняя подается в лоток 5 питательным насосом 14 через распределитель 12, представляющий собой заглушенную на торцах горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной нагреваемой воды, что обеспечивает ее равномерное распределение по ширине полотна лотка 5. В процессе нагрева минерализованной воды, которая нагревается до температуры большей, чем температура воды в водоеме 15, часть ее испаряется, а неиспарившаяся часть самотеком перемещается по полотну до нижнего торца лотка 5 и через горизонтальную выпускную щель 16 сливается в водоем 15. Полученный в процессе нагрева питательной воды водяной пар через вертикальные щели 9 поступает в нижнюю конденсационную камеру 8 и конденсируется там, в результате чего при выходе на стационарный режим работы опреснителя давление в конденсационной камере 9 всегда меньше, чем в испарительной камере 8. Конденсация водяного пара, полученного в испарительной камере 8, в конденсационной камере 9 осуществляется в результате процесса теплопередачи от пара через стенки днища 5, выполненного из материала с высокой теплопроводностью, и части боковых стенок корпуса 1 с массивом более холодной воды в водоеме 14, причем пористый материал решетки 3 всасывает образовавшийся конденсат, предотвращая образование жидкостной пленки на внутренней поверхности стенки конденсационной камеры 9 и, таким образом, интенсифицирует процесс конденсации [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с. 22]. Полученный конденсат по полосам пористого материала решетки 11 за счет капиллярных сил движется со всех сторон днища 10 в емкость для сбора конденсата 17, расположенную в центре днища 10, стекает туда за счет силы тяжести, накапливается там и насосом 18 подается потребителю.
1
2
3
Высота бортиков ∆лотка 6, ширина вертикальных щелей 10 ∆выбираются из условия недопущения перелива питательной воды и свободного прохода пара при максимальной нагрузке опреснителя. Ширина горизонтальной выпускной щели ∆ должна обеспечивать свободный слив нагретой питательной воды в водоем 14, но в то же время ее сопротивление по воздуху должно быть значительно больше, чем сопротивление вертикальных щелей по водяному пару, что проверяется аэродинамическим и гидравлическим расчетами. Длина лотка 5 выбирается из условия минимального отложения солей на его поверхности, ширина принимается исходя из условий обеспечения равномерного распределения питательной воды на поверхности по ширине и длине лотка 5. Производительность предлагаемого солнечного опреснителя можно увеличить путем размещения параллельно нескольких лотков 5 в одном корпусе 1.
Таким образом, конструкция предлагаемого автономного солнечного опреснителя позволяет проводить масштабный процесс опреснения морской или минерализованной (соленой) воды непосредственно в самом водоеме и транспортировку ее потребителю с использованием только солнечной энергии, что повышает его эффективность.