ОПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
DESALINATION INSTALLATION AND ELECTRICITY PRODUCTION PLANT (MODIFICATIONS)

Изобретение относится к области энергетики и судостроения, предназначено для энергосберегающих опреснительных установок и может быть использовано в опреснительных установках стационарного типа.
В настоящее время назрела насущная актуальная общественная потребность в создании энергосберегающих технологий. Ряд известных энергетических производств, в том числе производство дистиллята и других продуктов опреснения из морской воды в промышленности и на морском транспорте, не отвечают в достаточной степени данному требованию.
В нарастающем темпе развития традиционной энергетики все больше проявляются связанные с ней негативные эффекты: тепловое, химическое, радиоактивное загрязнение окружающей среды в сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов топлива, особенно нефти, газа, высококачественного угля. Поэтому совершенствование, в частности, судовых энергетических установок должно включать решение комплекса задач, отвечающих требованиям высокой экономичности, экологической чистоты и комфортности для экипажа и пассажиров судна.
К таким задачам относится снижение эксплуатационной мощности и улучшение экологичности судовой электростанции, работающей на органическом топливе, за счет использования альтернативных источников энергии для привода различного рода вспомогательных механизмов. В результате у таких электростанций могут быть снижены расход топлива и выбросы токсичных газов.
Особенно актуально подобное решение в системах глубокой утилизации теплоты двигателей внутреннего сгорания теплоходов и тепловых схемах судовых паротурбинных агрегатов, в которых применяются опреснительные установки (ОУ) с испарителями поверхностного типа с целью получения питьевой, мытьевой или питательной (для котельных агрегатов или систем охлаждения дизельных двигателей) воды.
Известна судовая опреснительная установка типа ИКВ - 39/6М, принятая за прототип [Слесаренко В.Н., Слесаренко В.В. Судовые опреснительные установки. - Владивосток: МГУ, 2001. - 448 с., рис.2.10, рис.2.11, с.34-36], включающая ступени испарения (параогенераторы), каждая из которых выполнена в виде корпуса с сепаратором и испарителем поверхностного типа (со змеевиковой поверхностью нагрева), погруженным в объем морской воды данного корпуса, конденсатор, насосы (рассольный, эжекторный и др.) и соединительные трубопроводы с разобщительной арматурой, при этом испаритель второй ступени испарения сообщен на входе посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса первой ступени, а вход испарителя первой ступени испарения сообщен посредством трубопровода с источником греющей среды, конденсатор на входе сообщен посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса второй ступени испарения, а отводящий трубопровод конденсатора имеет сообщение со сборником дистиллята, и на его протяжении установлены разобщительные клапаны, в днище корпуса каждой ступени испарения вмонтирован отводящий рассол трубопровод, на отводящем рассол трубопроводе корпуса второй ступени испарения установлен рассольный насос, а сам данный корпус имеет сообщение с источником морской воды, причем отводящий трубопровод испарителя второй ступени испарения имеет сообщение со сборником дистиллята.
Недостатками известного технического решения являются:
в число обслуживающих опреснитель насосов входят циркуляционный, рассольный, дистиллятный, насос охлаждающей воды конденсатора и эжекторный с достаточно высокими энергозатратами. Удельный расход электроэнергии на вспомогательные механизмы по некоторым данным достаточно высок и равен 1,4…24 кВт·час на тонну полученного дистиллята, в зависимости от тепловой схемы испарительной установки.
Технической задачей, на которую направлено заявляемое техническое решение, является устранение данных недостатков, а именно: экономия потребляемой опреснительной установкой от судовой электростанции электроэнергии, вплоть до полной компенсации энергозатрат на собственные нужды опреснительной установки, сопровождающаяся снижением количества выбросов токсичных и парниковых газов судовой энергетической установки.
Поставленная задача одним из вариантов достигается тем, что в известную испарительную установку, включающую ступени испарения, каждая из которых выполнена в виде корпуса с сепаратором и испарителем поверхностного типа, погруженным в объем морской воды данного корпуса, конденсатор, насосы и соединительные трубопроводы с разобщительной арматурой, при этом испаритель второй ступени испарения сообщен на входе посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса первой ступени, а вход испарителя первой ступени испарения сообщен посредством трубопровода с источником греющей среды, конденсатор на входе сообщен посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса второй ступени испарения, а отводящий трубопровод конденсатора имеет сообщение со сборником дистиллята, и на его протяжении установлены разобщительные клапаны, в днище корпуса каждой ступени испарения вмонтирован отводящий рассол трубопровод, на отводящем рассол трубопроводе корпуса второй ступени испарения установлен рассольный насос, а сам данный корпус имеет сообщение с источником морской воды, причем отводящий трубопровод испарителя второй ступени испарения имеет сообщение со сборником дистиллята, в отличие от нее, в заявляемую по данному варианту дополнительно введено устройство для выработки электроэнергии на вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу опреснительной установки, с патрубками входа и выхода и дополнительный рассольный насос, который установлен на отводящем рассол трубопроводе корпуса первой ступени испарения. При этом напорный трубопровод рассольного насоса корпуса второй ступени испарения на его протяжении снабжен разобщительными клапанами. Отводящий трубопровод конденсатора до своего первого разобщительного клапана имеет солемер с датчиком, электромагнитный клапан и ответвление на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное с патрубком его первого входа, причем от электромагнитного клапана отведен перепускной трубопровод, сообщенный с корпусом первой ступени испарения. Подающий морскую воду во вторую ступень испарения трубопровод имеет ответвление с разобщительным клапаном на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное после данного клапана с патрубком его второго входа и имеющее соединительную перемычку с разобщительным клапаном на напорный трубопровод рассольного насоса на участке между его разобщительными клапанами. Напорный трубопровод дополнительного рассольного насоса имеет разобщительный клапан и за ним сообщен с данной перемычкой за ее разобщительным клапаном и с патрубком третьего входа устройства для выработки электроэнергии. Патрубок первого выхода устройства для выработки электроэнергии соединен с отводящим трубопроводом конденсатора на участке между его разобщительными клапанами, а патрубок второго выхода устройства для выработки электроэнергии соединен с напорным трубопроводом рассольного насоса за его разобщительными клапанами. Причем полость корпуса первой ступени испарения посредством соответствующего трубопровода с разобщительным клапаном сообщена с судовой или береговой системой пресной воды и с отводящим трубопроводом конденсатора на участке до его второго разобщительного клапана, а патрубок третьего выхода устройства для выработки электроэнергии сообщен с нижней полостью корпуса второй ступени испарения.
Для сокращения энергозатрат опреснительной установки в нее по данному варианту, как упомянуто, составной частью включено устройство для выработки электроэнергии (его первый вариант).
Известно устройство для выработки электроэнергии с патрубками входа и выхода, принятое за прототип к данному заявляемому, реализованное в способе выработки мощности (патент США №4171409), включающее контрольно-измерительные приборы, соединительные трубопроводы с арматурой, пакет из тонколистных прямоугольных мембран, содержащий чередующиеся между собой альтернативные катионо и анионо-обменные мембраны, проставочные элементы между данными мембранами из диэлектрического полимерного материала, выполненные в виде прямоугольной рамки, прилегающие с противоположных сторон с герметичным сопряжением к краям тонколистных прямоугольных мембран и образующие с данными мембранами чередующиеся между собой каналы движения потоков соленой и опресненной воды, пластинчатые прямоугольные электроды из коррозионно-стойкого материала, расположенные с противоположных торцов пакета мембран и включенные в электрическую цепь с электрической нагрузкой и электроизмерительными приборами, прижимные плиты, ограничивающие пластинчатые прямоугольные электроды, диэлектрически установленные и имеющие совместно с ними соосные сквозные отверстия под установленные на прижимных плитах подводящие и отводящие патрубки; при этом тонколистные прямоугольные мембраны с проставочными элементами, пластинчатыми прямоугольными электродами и прижимными плитами скреплены посредством крепежных элементов, установленных в сквозные отверстия, расположенные в них; два крайние патрубка обеих прижимных плит расположены вблизи их краев и имеют присоединенные к ним трубопроводы подвода и отвода соответственно опресненной и соленой воды, а в проставочных элементах и тонколистных прямоугольных мембранах соответственно выполнены вертикальные сквозные отверстия, соосные крайним сквозным отверстиям пластинчатых прямоугольных электродов и прижимных плит, которые сообщены соответственно горизонтальными противолежащими пазами входа и выхода соответственно опресненной и соленой воды с соответствующими чередующимися каналами ее движения между тонколистными прямоугольными мембранами, а также и между крайними прижимными плитами и противолежащими им мембранами.
Однако известное техническое решение имеет недостатки, а именно: для прокачки каждого из растворов через межмембранные каналы по замкнутому контуру применяются специальные циркуляционные насосы, а регенерация исходных соленостей происходит в общем термическом сепараторе обоих замкнутых контуров. Обеспечение работы этих, достаточно энергозатратных, вспомогательных механизмов требует дополнительной энергии, которая снижает эффективность известного устройства, а в определенных случаях превышает выработку электричества.
Для устранения указанных недостатков известного устройства для выработки электроэнергии с патрубками входа и выхода, как части опреснительной установки в данном варианте опреснительной установки, как единого целого, в него (в устройство для выработки электроэнергии), включающего контрольно-измерительные приборы, соединительные трубопроводы с арматурой, пакет из тонколистных прямоугольных мембран, содержащий чередующиеся между собой альтернативные катионо и анионо-обменные мембраны, проставочные элементы между данными мембранами из диэлектрического полимерного материала, выполненные в виде прямоугольной рамки, прилегающие с противоположных сторон с герметичным сопряжением к краям тонколистных прямоугольных мембран и образующие с данными мембранами чередующиеся между собой каналы движения потоков соленой и опресненной воды, пластинчатые прямоугольные электроды из коррозионно-стойкого материала, расположенные с противоположных торцов пакета мембран и включенные в электрическую цепь с электрической нагрузкой и электроизмерительными приборами, прижимные плиты, ограничивающие пластинчатые прямоугольные электроды, диэлектрически установленные и имеющие совместно с ними соосные сквозные отверстия под установленные на прижимных плитах подводящие и отводящие патрубки; при этом тонколистные прямоугольные мембраны с проставочными элементами, пластинчатыми прямоугольными электродами и прижимными плитами скреплены посредством крепежных элементов, установленных в сквозные отверстия, расположенные в них; два крайние патрубка обеих прижимных плит расположены вблизи их краев и имеют присоединенные к ним трубопроводы подвода и отвода соответственно опресненной и соленой воды, а в проставочных элементах и тонколистных прямоугольных мембранах соответственно выполнены вертикальные сквозные отверстия, соосные крайним сквозным отверстиям пластинчатых прямоугольных электродов и прижимных плит, которые сообщены соответственно горизонтальными противолежащими пазами входа и выхода соответственно опресненной и соленой воды с соответствующими чередующимися каналами ее движения между тонколистными прямоугольными мембранами, в отличие от известного, по данному варианту в качестве электрической нагрузки введены вспомогательные механизмы опреснительной установки, обеспечивающие ее работу, а само устройство для выработки электроэнергии дополнительно содержит гравитационную емкость опресненной и гравитационную емкость соленой воды, днища которых расположены на уровне, отстоящем не менее чем на 1,12 метров выше поверхности пакета тонколистных прямоугольных мембран, и каждая из которых сообщена своей нижней частью посредством соответствующего трубопровода подвода опресненной и соленой воды с пакетом тонколистных прямоугольных мембран. При этом на патрубках входов устройства для выработки электроэнергии установлен разобщительный клапан. Первый и второй входы самого устройства сообщены с гравитационной емкостью опресненной воды устройства. Третий вход сообщен с его гравитационной емкостью соленой воды, а трубопроводы отвода опресненной и соленой воды пакета тонколистных прямоугольных мембран соединены соответственно с первым и вторым выходами устройства для выработки электроэнергии. К патрубкам, расположенным вблизи центральной части обеих прижимных плит, присоединены трубопроводы соответственно подвода и отвода промывочной воды, причем трубопровод подвода промывочной воды, установленный на верхней нажимной плите пакета мембран, имеет сообщение через разобщительный клапан с трубопроводом подвода к нему соленой воды, трубопровод отвода промывочной воды от этой верхней прижимной плиты сообщен с патрубком ее подвода к нижней прижимной плите, а трубопровод ее отвода от нижней прижимной плиты пакета мембран имеет сообщение с патрубком третьего выхода устройства для выработки электроэнергии, на котором установлен разобщительный клапан.
Поставленная техническая задача в равной степени достигается также и другим вариантом опреснительной установки, по которому в известную опреснительную установку, включающую ступени испарения, каждая из которых выполнена в виде корпуса с сепаратором и испарителем поверхностного типа, погруженным в объем морской воды данного корпуса, насосы и соединительные трубопроводы с разобщительной арматурой, при этом испаритель второй ступени испарения сообщен на входе посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса первой ступени испарения, а вход испарителя первой ступени испарения сообщен посредством трубопровода с источником греющей среды, отводящий вторичный пар трубопровод полости верхней части корпуса второй ступени испарения имеет сообщение со сборником дистиллята; в днище корпуса каждой ступени испарения вмонтирован отводящий рассол трубопровод, на отводящем рассол трубопроводе корпуса второй ступени испарения установлен рассольный насос, сам данный корпус имеет сообщение с источником морской воды, а отводящий трубопровод испарителя второй ступени испарения имеет сообщение со сборником дистиллята, в отличие от нее в заявляемую по данному (второму) варианту дополнительно введен соответствующий (второй) вариант устройства для выработки электроэнергии на вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу опреснительной установки, с патрубками входа и выхода, и дополнительный рассольный насос, который установлен на отводящем рассол трубопроводе корпуса первой ступени испарения. При этом напорный трубопровод рассольного насоса корпуса второй ступени испарения на его протяжении снабжен разобщительными клапанами. Отводящий вторичный пар трубопровод полости верхней части корпуса второй ступени испарения сообщен с патрубком первого входа устройства для выработки электроэнергии. Подающий морскую воду во вторую ступень испарения трубопровод имеет ответвление с разобщительным клапаном на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное после данного клапана с патрубком его второго входа и имеющее соединительную перемычку с разобщительным клапаном на напорный трубопровод рассольного насоса на участке между его разобщительными клапанами. Напорный трубопровод дополнительного рассольного насоса имеет разобщительный клапан и за ним сообщен с данной перемычкой за ее разобщительным клапаном и с патрубком третьего входа устройства для выработки электроэнергии. Патрубок первого выхода устройства для выработки электроэнергии соединен с приемным трубопроводом дистиллята, на котором установлен солемер с датчиком, электромагнитный клапан, а за ним - разобщительный клапан. Причем от электромагнитного клапана отведен перепускной трубопровод, сообщенный с корпусом первой ступени испарения, который имеет сообщение посредством трубопровода с разобщительным клапаном соответственно с судовой или береговой системой пресной воды; патрубок второго выхода устройства для выработки электроэнергии соединен с напорным трубопроводом рассольного насоса за его разобщительными клапанами, а патрубок третьего выхода устройства для выработки электроэнергии сообщен с нижней полостью корпуса второй ступени испарения.
Для сокращения энергозатрат опреснительной установки в нее по данному (второму) ее варианту составной частью, как упомянуто, встроен соответствующий (второй) вариант устройства для выработки электроэнергии, заключающийся в том, что в известное устройство для выработки электроэнергии с патрубками входа и выхода, включающее контрольно-измерительные приборы, соединительные трубопроводы с арматурой, пакет из тонколистных прямоугольных мембран, содержащий чередующиеся между собой альтернативные катионо и анионо-обменные мембраны, проставочные элементы между данными мембранами из диэлектрического полимерного материала, выполненные в виде прямоугольной рамки, прилегающие с противоположных сторон с герметичным сопряжением к краям тонколистных прямоугольных мембран и образующие с данными мембранами чередующиеся между собой каналы движения потоков соленой воды и опресненной среды, пластинчатые прямоугольные электроды из коррозионно-стойкого материала, расположенные с противоположных торцов пакета мембран и включенные в электрическую цепь с электрической нагрузкой и электроизмерительными приборами, прижимные плиты, ограничивающие пластинчатые прямоугольные электроды, диэлектрически установленные и имеющие совместно с ними соосные сквозные отверстия под установленные на прижимных плитах подводящие и отводящие патрубки; при этом тонколистные прямоугольные мембраны с проставочными элементами, пластинчатыми прямоугольными электродами и прижимными плитами скреплены посредством крепежных элементов, установленных в сквозные отверстия, расположенные в них; два крайние патрубка обеих прижимных плит расположены вблизи их краев и имеют присоединенные к ним трубопроводы подвода и отвода соответственно опресненной среды и соленой воды, а в проставочных элементах и тонколистных прямоугольных мембранах соответственно выполнены вертикальные сквозные отверстия, соосные крайним сквозным отверстиям пластинчатых прямоугольных электродов и прижимных плит, которые сообщены соответственно горизонтальными противолежащими пазами входа и выхода соответственно опресненной среды и соленой воды с соответствующими чередующимися каналами ее движения между тонколистными прямоугольными мембранами, в отличие от него, в заявляемое по данному (второму) варианту электрической нагрузкой устройства для выработки электроэнергии введены вспомогательные механизмы опреснительной установки, а само устройство дополнительно содержит гравитационную емкость соленой воды, днище которой расположено на уровне, отстоящем не менее чем на 1,12 метров водяного столба выше поверхности пакета тонколистных прямоугольных мембран, и которая сообщена своей нижней частью посредством трубопровода подвода соленой воды с пакетом тонколистных прямоугольных мембран. При этом на патрубках входов устройства для выработки электроэнергии установлен разобщительный клапан. Первый вход самого устройства сообщен с трубопроводом подвода вторичного пара от полости верхней части корпуса второй ступени испарения к пакету тонколистных прямоугольных мембран, а второй и третий его входы сообщены с гравитационной емкостью соленой воды устройства. Противоположные стороны тонколистных прямоугольных мембран, являющиеся теплообменными поверхностями, образуют каналы движения потоков взаимно теплообменивающихся сред в виде конденсирующегося вторичного пара, как опресняемой среды, и холодной соленой воды, протекающих между мембранами. Трубопроводы отвода опресненной и соленой воды пакета тонколистных прямоугольных мембран соединены соответственно с первым и вторым выходами устройства для выработки электроэнергии. К патрубкам, расположенным вблизи центральной части обеих прижимных плит, присоединены трубопроводы соответственно подвода и отвода промывочной воды, причем трубопровод подвода промывочной воды, установленный на верхней прижимной плите пакета мембран, имеет сообщение через разобщительный клапан с трубопроводом подвода к нему соленой воды, трубопровод отвода промывочной воды от этой верхней прижимной плиты сообщен с патрубком ее подвода к нижней прижимной плите, а трубопровод ее отвода от нижней прижимной плиты пакета мембран имеет сообщение с патрубком третьего выхода устройства для выработки электроэнергии, на котором установлен разобщительный клапан.
Поставленная техническая задача в равной степени достигается также и третьим вариантом опреснительной установки, по которому в известную опреснительную установку, включающую парогенерирующее устройство с размещенными в его замкнутом корпусе сепаратором и испарителем поверхностного типа, погруженным в объем морской воды и сообщенным с источником греющей среды, а также включающую конденсатор, соединительные трубопроводы с разобщительной арматурой, рассольный насос, установленный на отводящем рассол трубопроводе корпуса парогенерирующего устройства, при этом конденсатор на входе сообщен посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса парогенерирующего устройства, отводящий трубопровод конденсатора имеет сообщение со сборником дистиллята, и на нем установлен разобщительный клапан, а корпус парогенерирующего устройства имеет сообщение с источником морской воды, в отличие от нее, в заявляемую по данному (третьему) варианту дополнительно введен соответствующий (третий) вариант устройства для выработки электроэнергии на вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу опреснительной установки, с патрубками входа и выхода, и циркуляционный насос. При этом напорный трубопровод рассольного насоса на его протяжении снабжен разобщительными клапанами. Отводящий трубопровод конденсатора до своего разобщительного клапана имеет солемер с датчиком, электромагнитный клапан и ответвление на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное через второй электромагнитный клапан с патрубком его первого входа, причем от первого электромагнитного клапана отведен перепускной трубопровод, сообщенный с корпусом парогенерирующего устройства. Подающий морскую воду в парогенерирующее устройство трубопровод имеет ответвление с разобщительными клапанами на своем протяжении на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное с патрубком его второго входа, и имеет между данными разобщительными клапанами соединительную перемычку с разобщительным клапаном на напорный трубопровод рассольного насоса на участке между его разобщительными клапанами, а сам этот участок имеет ответвление на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное с патрубком его третьего входа. Патрубок первого выхода устройства для выработки электроэнергии имеет ответвление с третьим электромагнитным клапаном и последующим разобщительным клапаном на напорный трубопровод рассольного насоса за его разобщительными клапанами и соединен также до данного третьего электромагнитного клапана с приемным трубопроводом циркуляционного насоса, на котором установлен солемер с датчиком, соединенным электрически со вторым и третьим электромагнитным клапаном. Причем напорный трубопровод циркуляционного насоса через разобщительный клапан сообщен со вторым входом устройства для выработки электроэнергии. Патрубок второго выхода устройства для выработки электроэнергии соединен с напорным трубопроводом рассольного насоса на участке за его разобщительными клапанами, а патрубок третьего выхода устройства для выработки электроэнергии сообщен посредством трубопровода с нижней полостью корпуса парогенерирующего устройства, а также и через перемычку от него с ее разобщительным клапаном сообщен с ответвлением патрубка первого выхода за его третьим электромагнитным клапаном.
Для сокращения энергозатрат опреснительной установки в нее по данному (третьему) ее варианту составной частью встроен соответствующий (третий) вариант устройства для выработки электроэнергии, заключающийся в том, что в известное устройство для выработки электроэнергии с патрубками входа и выхода, включающее контрольно-измерительные приборы, соединительные трубопроводы с арматурой, пакет из тонколистных прямоугольных мембран, содержащий чередующиеся между собой альтернативные катионо и анионо-обменные мембраны, проставочные элементы между данными мембранами из диэлектрического полимерного материала, выполненные в виде прямоугольной рамки, прилегающие с противоположных сторон с герметичным сопряжением к краям тонколистных прямоугольных мембран и образующие с данными мембранами чередующиеся между собой каналы движения потоков соленой и опресненной воды, пластинчатые прямоугольные электроды из коррозионно-стойкого материала, расположенные с противоположных торцов пакета мембран и включенные в электрическую цепь с электрической нагрузкой и электроизмерительными приборами, прижимные плиты, ограничивающие пластинчатые прямоугольные электроды, диэлектрически установленные и имеющие совместно с ними соосные сквозные отверстия под установленные на прижимных плитах подводящие и отводящие патрубки; при этом тонколистные прямоугольные мембраны с проставочными элементами, пластинчатыми прямоугольными электродами и прижимными плитами скреплены посредством крепежных элементов, установленных в сквозные отверстия, расположенные в них; два крайние патрубка обеих прижимных плит расположены вблизи их краев и имеют присоединенные к ним трубопроводы подвода и отвода соответственно опресненной и соленой воды, а в проставочных элементах и тонколистных прямоугольных мембранах соответственно выполнены вертикальные сквозные отверстия, соосные крайним сквозным отверстиям пластинчатых прямоугольных электродов и прижимных плит, которые сообщены соответственно горизонтальными противолежащими пазами входа и выхода соответственно опресненной и соленой воды с соответствующими чередующимися каналами ее движения между тонколистными прямоугольными мембранами, в отличие от него, в заявляемое по данному (третьему) варианту электрической нагрузкой устройства для выработки электроэнергии введены вспомогательные механизмы опреснительной установки. Само устройство дополнительно содержит гравитационную емкость опресненной воды и гравитационную емкость соленой воды, днища которых расположены на уровне, отстоящем не менее чем на 1,12 метров выше поверхности пакета тонколистных прямоугольных мембран, и каждая из которых сообщена своей нижней частью посредством соответствующего трубопровода подвода опресненной и соленой воды с пакетом тонколистных прямоугольных мембран. При этом на патрубке третьего входа и на патрубках второго и третьего выходов устройства для выработки электроэнергии установлен разобщительный клапан. Первый и второй входы самого устройства сообщены с гравитационной емкостью опресненной воды устройства, а третий его вход сообщен с гравитационной емкостью соленой воды устройства. Трубопроводы отвода опресненной и соленой воды пакета тонколистных прямоугольных мембран соединены соответственно с патрубками первого и второго выходов устройства для выработки электроэнергии. К патрубкам, расположенным вблизи центральной части обеих прижимных плит, присоединены трубопроводы соответственно подвода и отвода промывочной воды, причем трубопровод подвода промывочной воды, установленный на верхней прижимной плите пакета мембран, имеет сообщение через разобщительный клапан с трубопроводом подвода к нему соленой воды, трубопровод отвода промывочной воды от этой верхней прижимной плиты сообщен с патрубком ее подвода к нижней прижимной плите, а трубопровод ее отвода от нижней прижимной плиты пакета мембран имеет сообщение с патрубком третьего выхода устройства для выработки электроэнергии, на котором установлен разобщительный клапан.
Ограничительные и отличительные признаки заявляемой группы изобретений обеспечивают достижение поставленной технической задачи.
Как известно, производительность любой эксплуатируемой судовой опреснительной установки обычно в 1,5…2,0 раза превышает суточный расход пресной воды на судне, который устанавливается по нормам потребления для: бытовых нужд, восполнения потерь от утечек в технических системах, обеспечения технологических процессов, в том числе и рыбопромысловых и рыбообрабатывающих судов. Суточный расход воды в зависимости от типа судна может составлять от 0,5 т (на небольших теплоходах) до 200…250 т, а в часы пиковых нагрузок - 800…1000 т (на промысловых базах).
Получение пресной воды на судах производят с помощью опреснительных установок, в том числе термического типа, в которых испарение морской воды осуществляют за счет утилизации теплоты выхлопных газов или охлаждающей тепловой двигатель воды.
Таким образом, если удельный расход электроэнергии на вспомогательные механизмы по некоторым данным равен 1,4…24 кВт·час на тонну полученного дистиллята в зависимости от тепловой схемы испарительной установки, то для опреснителя производительностью 10 т/час на собственные нужды затрачивается достаточно много: от 14 до 240 кВт·часов. Судовая электростанция покрывает эти расходы за счет сжигания органического топлива, загрязняя атмосферу.
Технической задачей, которую решает заявляемое изобретение, и является повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов и снижение выбросов токсичных и парниковых газов тепловых двигателей.
Указанная техническая задача достигается тем, что если в известном решении - прототипе утилизации теплоты охлаждающей воды и выхлопных газов получают из морской воды пресную воду, а остаточный продукт в виде концентрированного рассола, а также охлаждающую забортную воду сбрасывают в море, то в заявляемом после использования в теплообменных аппаратах забортная вода или рассол, обладающие значительным электрохимическим потенциалом относительно опресненной воды, выделяют дополнительную энергию. Утилизацию этой энергии, называемой, как известно, энергией градиентов солености (ЭГС), производят с помощью пакета тонколистных ионоселективных мембран в процессе обратного электродиализа, которыми и предлагается оснастить заявляемую опреснительную установку. В результате утилизации ЭГС в заявляемом устройстве для выработки электроэнергии, как части заявляемой опреснительной установки, получаем электрический ток, мощность которого достаточна для работы вспомогательных механизмов, обслуживающих опреснитель, а при соответствующем увеличении площади мембран и для другого вспомогательного оборудования конкретной судовой энергетической установки.
Указанный эффект реализации энергии ЭГС может быть использован для обеспечения более гибкой утилизации теплоты судовой энергетической установки (СЭУ) при работе на переменных режимах. Например, при отсутствии достаточного потребления тепловой нагрузки на судне излишнее тепло может направляться в опреснительную установку. Дополнительно полученная пресная вода позволит увеличить гидродинамическую нагрузку на устройство для выработки электроэнергии, мощность которого увеличится.
В заявляемом изобретении эффект достигается тем, что получаемый на выходе из термического опреснителя дистиллят полностью или частично (в зависимости от варианта заявляемого изобретения) направляется в пакет тонколистных мембран и движется в нем по каналам, которые они образуют между собой в пакете. Причем каналы опресняемой среды (второй вариант) или опресненной воды чередуются с каналами, по которым движется соленая вода, поступающая по ответвлению от трубопровода подачи морской воды или подаваемая рассольным насосом испарителей.
Преобразование энергии градиентов солености происходит при течении растворов в каналах, ограниченных с одной стороны анионитовой, а с другой - катионитовой мембранами.
-
+
Морская вода, в которой растворено значительное количество разнообразных солей, представляет собой сильный электролит. Как известно, сильные электролиты, как в разбавленных растворах, так и в растворах высокой концентрации содержатся только в виде ионов. Ионы солей стремятся пройти в раствор более низкой концентрации, который движется с противоположной стороны мембраны. Однако селективность мембран позволяет проходить через катионовые мембраны только отрицательным (например, Cl), а через анионовые - положительным ионам (Na). Направленное движение ионов вызывает появление электрических зарядов на мембранах: отрицательного на катионовых и положительного на анионовых. Чем больше таких каналов в батарее, тем более высокое напряжение и мощность можно получить в цепи электрической нагрузки, которой являются вспомогательные механизмы заявляемой опреснительной установки, замыкающейся на крайние пластинчатые электроды.
В известном устройстве-прототипе для выработки электроэнергии в качестве рабочих жидкостей используются специальные растворы солей. Кроме того, необходимая скорость движения растворов через каналы устройства достигается посредством насосов, потребляющих дополнительную энергию, причем с увеличением скорости эта потребляемая энергия закономерно увеличивается [Turek M., Bandura В. Renewable energy by reverse elektrodialysis // Desalination 205 (2007). P.67-74], и общая эффективность устройства снижается. Наличие в заявляемом изобретении, как части целого, в качестве рабочих жидкостей естественных продуктов энергетического цикла опреснительной установки (опресняемая среда, опресненная вода и соленая вода), которые не требуют специальной подготовки и дополнительных затрат на осуществление рециркуляции в элементах устройства, в совокупности с гравитационными емкостями, обеспечивающими снижение гидравлических потерь энергии, способствуют в итоге снижению энергозатрат. Предусматриваются гравитационные емкости опресненной и соленой воды, которые, благодаря превышению уровня их днища над пакетом тонколистных мембран не менее чем на 1,12 м, обеспечивают заданную скорость течения в нем жидкостей за счет гравитационного напора, причем для наполнения емкостей затрачивается значительно меньше энергии, чем требуется при непосредственном соединении насоса, трубопровода и пакета тонколистных прямоугольных мембран, что сопряжено, как известно, с гидравлическими потерями.
Таким путем заявляемое наличие в опреснительной установке устройства для выработки электроэнергии с его пакетом прямоугольных тонколистных мембран, гравитационными емкостями и электрической нагрузкой в виде вспомогательных механизмов опреснительной установки обеспечивает достижение поставленной технической задачи - повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов и снижение выбросов токсичных и парниковых газов тепловых двигателей.
В зависимости от конструктивного исполнения в заявляемой опреснительной установке рассматриваются варианты, обеспечивающие достижение поставленной технической задачи: 1) при двухступенчатом исполнении испарителей; 2) при двухступенчатом исполнении испарителей и с конденсатором пара, функции которого выполняет устройство для выработки электроэнергии; 3) при одноступенчатом исполнении испарителя (парогенерирующего устройства).
Как известно, наибольший эффект устройство для выработки электроэнергии достигает при максимальном градиенте концентрации соли в опресненной и соленой воде, минимальных расстояниях между мембранами и больших скоростях течения. Поэтому в качестве соленой воды предпочтительнее использовать рассол, что и предусмотрено для всех трех вариантов. Опресненная вода должна иметь некоторую соленость (как известно, около 3‰) с целью снижения внутреннего электрического сопротивления, для чего в каждом варианте предусматриваются соответствующие конструктивные особенности ее разбавления солью с учетом того, что конечный продукт опреснительной установки - дистиллят является дефицитом, и его расход должен быть минимальным.
На трубопроводе подачи соленой воды от ее гравитационной емкости к тонколистному пакету мембран имеется ответвление с разобщительным клапаном, по которому она направляется для промывки (промывочная вода) каналов, прилегающих к пластинчатым электродам (электродных камер), вначале верхнего канала, а затем из него нижнего. После промывки нижней камеры промывочная вода поступает в нижнюю часть корпуса испарителя второй ступени (парогенерирующего устройства по третьему варианту).
-
-
На аноде происходит окисление ионов Cl,  и ОН с выделением кислорода и хлора с образованием побочных продуктов: серной и соляной кислот. На катоде будут восстанавливаться ионы металлов и водород, который в газообразном состоянии удаляется из промывочной воды в испарителе, куда она перепускается по трубопроводу от патрубка третьего выхода, вместе с другими неконденсирующимися газами, а гидроксильные ионы с ионами натрия образуют щелочь.
Таким образом, из катодной камеры будет выходить щелочная вода, а из анодной - кислая. Поступая в полость испарителя (парогенерирующего устройства), жидкости смешиваются и нейтрализуются с выделением теплоты (около 57,6 кДж/кмоль), которая способствует повышению эффективности испарителя. Электродные камеры соединяют последовательно посредством трубопровода подвода промывочной воды от верхней нажимной плиты к нижней.
В первом варианте необходимый уровень солености пресной воды на входе в устройство для выработки электроэнергии достигают управлением входящих в него потоков воды и регулированием известным путем (не является предметом притязаний) интенсивности испарительного процесса в первой ступени с помощью изменения сепарационной способности известного, например, жалюзийного (практически применяемого повсеместно) сепаратора (ограничительный признак), влияющей на величину капельного уноса с зеркала испарения. Соленость в данном случае контролируется установленным за конденсатором солемером, который управляет потоками воды с помощью электромагнитного клапана (варианты 1 и 3), перепуская в необходимом случае воду от него в первую ступень испарения (парогенерирующего устройства) и подавая сигнал на жалюзийный сепаратор.
Второй вариант в отличие от первого заключается в том, что в опреснительной установке отсутствует конденсатор традиционного типа, а его функции выполняет устройство для выработки электроэнергии, в котором противоположные стороны тонколистных прямоугольных мембран являются теплообменными поверхностями, образуют каналы движения потоков взаимно теплообменивающихся сред в виде конденсирующегося вторичного пара (опресняемая среда) и холодной соленой воды, протекающих между мембранами. В этом варианте солемер установлен после устройства для выработки электроэнергии и электромагнитный клапан, которым он управляет, в случае не соответствия норме солености конденсата направляет его на повторное испарение в первую ступень, подавая сигнал на систему управления жалюзийным сепаратором, подобно первому варианту.
Третий вариант относится к одноступенчатому исполнению опреснительной установки посредством парогенерирующего устройства. Поскольку ступень должна вырабатывать и направлять дистиллят, соответствующий техническим требованиям к опреснительной установке в устройство для выработки электроэнергии, он поступает в него небольшим количеством для подпитки циркуляционного контура, содержащего циркуляционный насос. В самом контуре посредством циркуляционного насоса циркулирует опресненная вода заданной солености, которая незначительно (примерно на 0,1‰) повышается в выходном сечении патрубка первого выхода устройства для выработки электроэнергии за счет перехода через мембраны солей от соленой воды. Солемер, установленный на трубопроводе контура, управляет двумя электромагнитными клапанами, один из которых (с порядковым номером три) сбрасывает часть раствора контура в парогенерирующее устройство на повторное испарение через перемычку с разобщительным клапаном на трубопровод отвода в него промывочной воды от патрубка третьего выхода, а другой электромагнитный клапан (с порядковым номером два) осуществляет подпитку контура дистиллятом. В результате, уровень солености в контуре поддерживается в заданных пределах.
Наличие в опреснительной установке устройства для выработки энергии, гравитационных емкостей и электрической нагрузки в виде вспомогательных механизмов опреснительной установки в совокупности со специальными системами для поддержания соответствующих соленостей опресненной и соленой воды, специфичных для каждого из трех вариантов, позволяет обеспечить достижение поставленной технической задачи - повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов и снижение выбросов токсичных и парниковых газов тепловых двигателей.
Так характеризуется опреснительная установка в заявляемых видах вариантов изобретения, как целый объект, а также его устройство для выработки электроэнергии одного и того же с ним вида, как его части, предназначенной для использования в этом целом, и использование которой в целом объекте позволяет получить дополнительную электроэнергию.
Достигается один и тот же технический результат (повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов и снижение выбросов токсичных и парниковых газов тепловых двигателей) в вариантах выполнения объекта одного и того же вида группы изобретений (в т.ч. и как целое, и часть), а сами изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел.
При этом, что существенно, сама часть - устройство для выработки электроэнергии - может использоваться отдельно (например, использование известного устройства-прототипа) или в составе других объектов по своему функциональному назначению.
Т.е. единый изобретательский замысел данной группы изобретений в трех вариантах проявляется и в том, что функционально самостоятельная часть целого является одной из причин достижения целым технического результата.
Таким путем достигается поставленная техническая задача, а именно - повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов и снижение выбросов токсичных и парниковых газов тепловых двигателей.
Заявляемая группа изобретений - опреснительная установка и устройство для выработки электроэнергии (варианты) - поясняется следующими иллюстрациями:
На фиг.1 представлена схема опреснительной установки с устройством для выработки электроэнергии - вариант 1.
На фиг.2 - устройство пакета тонколистных прямоугольных мембран - в вертикальном сечении.
На фиг.3 - то же в поперечном сечении.
На фиг.4 - схема опреснительной установки с устройством для выработки электроэнергии - вариант 2.
На фиг.5 - то же - вариант 3.
вх
вх
вх
вых
вых
вых
Опреснительная установка с устройством для выработки электроэнергии в первом и отчасти во втором и третьем вариантах содержит элементы: первую 1 и вторую 2 ступени испарения, каждая из которых выполнена в виде корпуса с сепаратором 3 жалюзийного типа и испарителем поверхностного типа 4, погруженным в объем морской воды данного корпуса и конденсатор 5 для вариантов один и три. При этом испаритель 4 второй ступени испарения сообщен на входе посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса первой ступени, а вход испарителя 4 первой ступени испарения сообщен посредством трубопровода с источником (не показан) греющей среды. Конденсатор 5 первого варианта на входе сообщен посредством трубопровода с полостью верхней части корпуса второй ступени испарения, а третьего варианта - с полостью верхней части корпуса первой ступени испарения (парогенерирующего устройства). Отводящий трубопровод конденсатора имеет сообщение со сборником дистиллята (сборный танк) (не показан), и на его протяжении установлены разобщительные клапаны 6 для второго и третьего вариантов, 6 и 7 - для первого варианта. На отводящем рассол трубопроводе из полости днища корпуса каждой ступени испарения установлен рассольный насос 8, а сам корпус парогенерирующего устройства третьего варианта и корпус второй ступени первого и второго вариантов посредством насоса 9 имеет сообщение с источником морской воды. Отводящий трубопровод испарителя 4 второй ступени испарения первого и второго вариантов имеет сообщение со сборником дистиллята (не показан). Опреснительная установка также содержит, как ее часть, устройство для выработки электроэнергии на вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу опреснительной установки, например насосы 8, 9 и др. Напорные трубопроводы рассольных насосов 8 корпуса парогенерирующего устройства варианта три и корпуса второй ступени испарения вариантов один и два на своем протяжении снабжены разобщительными клапанами 10 и 11. Отводящий трубопровод конденсатора 5 вариантов один и три до своего первого разобщительного клапана 6 имеет солемер с датчиком 12, электромагнитный клапан 13 и ответвление на устройство для выработки электроэнергии, сообщенное с патрубком (не показан) его первого входа (I). Причем от электромагнитного клапана 13 отведен перепускной трубопровод, сообщенный с корпусом первой ступени испарения варианта один и парогенерирующего устройства варианта три. Подающий в испарительные корпуса морскую воду насос 9 имеет на напорном трубопроводе ответвление с разобщительными клапанами 14 для вариантов один и два и 14, 15 - для варианта три на устройство для выработки электроэнергии, после данных клапанов сообщенное с патрубком (не показан) его второго входа (II) и имеющее соединительную перемычку с разобщительным клапаном 16 на напорный трубопровод рассольного насоса 8 корпусов первой ступени первого и второго вариантов и парогенерирующего устройства варианта три на участке между его разобщительными клапанами 10 и 11. Напорный трубопровод рассольного насоса 8 корпусов первой ступени вариантов один и два (дополнительный рассольный насос) имеет разобщительный клапан 17 и за ним сообщен с данной перемычкой за ее разобщительным клапаном 16 и с патрубком (не показан) третьего входа (III) устройства для выработки электроэнергии. Патрубок (не показан) первого выхода (I) устройства для выработки электроэнергии по варианту один соединен с отводящим трубопроводом конденсатора 5 на участке между его разобщительными клапанами 6 и 7. Патрубок (не показан) второго выхода (II) устройства для выработки электроэнергии по всем вариантам соединен с напорным трубопроводом рассольного насоса 8 за его разобщительными клапанами 10 и 11. Полость корпуса первой ступени испарения по варианту один и два посредством соответствующего трубопровода с разобщительным клапаном (не показаны) сообщена с судовой или береговой системой пресной воды и с отводящим трубопроводом конденсатора 5 (пакета мембран 18 по варианту два) на участке до его второго разобщительного клапана 7 (по варианту один), или до клапана 6 (по варианту два), а патрубок (не показан) третьего выхода (III) устройства для выработки электроэнергии по всем вариантам сообщен с нижней полостью корпуса второй ступени испарения.
вх
вх
вх
вх
вх
вых
вых
вых
вых
Опреснительная установка содержит, как ее часть, устройство для выработки электроэнергии, которое содержит пакет 18 (фиг.1, 4, 5) тонколистных прямоугольных мембран 19 и 20 (фиг.2), гравитационную емкость опресненной воды 21 по вариантам один и три и гравитационную емкость соленой воды 22 по всем вариантам, днища которых соответственно расположены на уровне, отстоящем не менее чем на 1,12 метров выше поверхности пакета 18 тонколистных прямоугольных мембран 19 и 20, и каждая из которых по варианту один и три сообщена своей нижней частью посредством соответствующего трубопровода подвода опресненной и соленой воды с пакетом 18 тонколистных прямоугольных мембран, а емкость 22 по всем вариантам сообщена своей нижней частью с пакетом 18 мембран. На патрубках (не показаны) первого (I) и второго (II) входов в устройства для выработки электроэнергии по варианту один и два установлены разобщительные клапаны, соответственно 23 и 24. Первый (I) и второй (II) входы самого устройства по варианту один и три сообщены с гравитационной емкостью опресненной воды устройства, третий вход (III) по всем вариантам сообщен с его гравитационной емкостью соленой воды, и на патрубках (не показаны) этого входа установлены разобщительные клапаны 25, 26 и 27. Трубопроводы отвода опресненной и соленой воды от пакета 18 тонколистных прямоугольных мембран по всем вариантам соединены соответственно с первым (I) и вторым (II) выходами устройства для выработки электроэнергии, при этом на патрубке (не показан) второго выхода (II) варианта три установлен разобщительный клапан 28. Трубопровод подвода промывочной воды к пакету 18 по всем вариантам установлен на верхнем его торце и сообщен через разобщительный клапан 29 с трубопроводом подвода к нему от емкости 22 соленой воды. Трубопровод отвода промывочной воды от верхнего торца сообщен с патрубком (на фиг. 1, 4 и 5 не показан) ее подвода к нижнему торцу, а трубопровод ее отвода от нижнего торца пакета 18 мембран сообщен с патрубком (не показан) третьего выхода (III) устройства для выработки электроэнергии, на котором установлен разобщительный клапан 30.
Устройство для выработки электроэнергии с патрубками входа и выхода (не показаны) по всем трем вариантам (фиг.2) включает контрольно-измерительные приборы 31, пакет 18 (фиг.1, 4, 5) из тонколистных прямоугольных мембран 19 и 20 (фиг.2), содержащий чередующиеся между собой альтернативные катионо 19 и анионо-обменные 20 мембраны, проставочные элементы 32 между данными мембранами из диэлектрического полимерного материала, выполненные в виде прямоугольной рамки (фиг.3), прилегающие с противоположных сторон с герметичным сопряжением к краям тонколистных прямоугольных мембран и образующие с данными мембранами чередующиеся между собой каналы движения потоков соленой и опресненной воды, внутри которых к мембранам закреплены турбулизаторы 33 в виде перфорированных гофрированных полимерных пластин. Пакет 18 также включает пластинчатые прямоугольные электроды 34 из коррозионностойкого материала, расположенные с противоположных торцов пакета мембран и включенные в электрическую цепь с электрической нагрузкой 35 в виде насосов 8, 9 и др. и электроизмерительными приборами 31, прижимные плиты 36, ограничивающие пластинчатые прямоугольные электроды, диэлектрически установленные и имеющие совместно с ними соосные сквозные отверстия под установленные на прижимных плитах подводящие 37 и отводящие 38 патрубки. При этом тонколистные прямоугольные мембраны 19 и 20 с проставочными элементами 21, пластинчатыми прямоугольными электродами 34 и прижимными плитами 36 скреплены посредством крепежных элементов в виде шпилек (не показаны), установленных в сквозные отверстия 39, расположенные в них (фиг.3). К патрубкам 37 и 38, расположенным вблизи центральной части обеих прижимных плит 36, присоединены трубопроводы соответственно подвода и отвода промывочной воды (на фиг.2 не показаны). При этом трубопровод отвода (фиг.1, 4, 5) промывочной воды от верхней плиты 36 сообщен с патрубком ее подвода 37 к нижней плите 36. Два крайние патрубка 37 и 38 обеих прижимных плит 36 расположены вблизи их краев и имеют присоединенные к ним трубопроводы подвода и отвода соответственно опресненной и соленой воды (на фиг.2 не показаны), а в проставочных элементах 21 и тонколистных прямоугольных мембранах 19 и 20 соответственно выполнены вертикальные сквозные отверстия (каналы) 40, соосные крайним сквозным отверстиям пластинчатых прямоугольных электродов 34 и прижимных плит 36, которые сообщены соответственно горизонтальными противолежащими пазами входа 41 и выхода 42 соответственно опресненной и соленой воды с соответствующими чередующимися каналами их движения между тонколистными прямоугольными мембранами (фиг.3).
Для создания напряжения в 100 В пакет 18 мембран заявляемого изобретения включает 1000 мембран (500 пар) шириной В=1 метр, высотой пакета L=0,5 м. При скорости движения воды в подводящих и отводящих патрубках 0,04 м/с, что обусловлено высотой днищ емкостей над пакетом 18, равной 1,12 м, и их диаметром, равным 0,05 м, обеспечивается устойчивое течение жидкости в канале пакета и достижение эффекта. Напряжение пары мембран U, как известно, зависит от расстояния между мембранами s и от скорости движения жидкостей в каналах w. В заявляемом апробировано: s=0,1 мм, w=0,0054 м/с, U=0,1 В, что заключено в известных диапазонах, которые составляют соответственно s=0,1…2,0 мм; w=0,0005…0,015 м/с; и U=0,02…0,2 В.
вых
вх
Второй вариант имеет аналогичное исполнение. Его отличием от первого варианта является отсутствие гравитационной емкости опресненной воды 21 и конденсатора 5, функцию которого выполняет пакет 18 тонколистных мембран в совокупности с гравитационной емкостью соленой воды 22, а солемер 12 с электромагнитным клапаном 13 установлен на приемном трубопроводе дистиллята, соединенным с патрубком (не показан) первого выхода (I) устройства для выработки электроэнергии. При этом отводящий вторичный пар трубопровод полости верхней части корпуса второй ступени испарения соединен с патрубком (не показан) первого входа (I) устройства для выработки электроэнергии.
вх
вх
вых
вых
вых
вых
вх
вых
вх
вх
вх
вых
вых
вых
Третий вариант имеет аналогичное исполнение. Его отличием от остальных является наличие только одной ступени испарения (парогенерирующего устройства), одного рассольного насоса 8 и циркуляционного контура с циркуляционным насосом 43 и разобщительным клапаном 44 на его напорном трубопроводе, сообщенным со вторым входом (II) устройства для выработки электроэнергии. При этом отводящий трубопровод конденсатора 5 до своего клапана 6 имеет на ответвлении на устройство для выработки электроэнергии второй электромагнитный клапан 45, а само данное ответвление сообщено с патрубком (не показан) его первого входа (I). Патрубок (не показан) первого выхода (I) устройства для выработки электроэнергии имеет ответвление с третьим электромагнитным клапаном 46 и за ним разобщительный клапан 47 на напорный трубопровод рассольного насоса за его клапаном 11 и соединен также до данного электромагнитного клапана 46 с приемным трубопроводом циркуляционного насоса 43, на котором установлен солемер 48 с датчиком (не показан), соединенным электрически со вторым 45 и третьим 46 электромагнитными клапанами. Патрубок (не показан) второго выхода (II) устройства для выработки электроэнергии через клапан 28 соединен с напорным трубопроводом насоса 8 на участке за его клапаном 11. Патрубок (не показан) третьего выхода (III) устройства для выработки электроэнергии через клапан 30 сообщен посредством трубопровода с нижней полостью корпуса парогенерирующего устройства, а также через перемычку от него с разобщительным клапаном 49 сообщен с ответвлением патрубка (не показан) первого выхода (I) за его третьим электромагнитным клапаном 46. На патрубке (не показан) третьего входа (III) и на патрубке (не показан) второго выхода (II) устройства для выработки электроэнергии установлены клапана, соответственно, 27 и 28, причем первый (I) и второй (II) входы самого устройства (их патрубки) сообщены с емкостью опресненной воды 21, третий его вход (III) сообщен с емкостью соленой воды 22, трубопроводы отвода опресненной и соленой воды пакета 18 соединены, соответственно, с патрубками (не показаны) первого (I) и второго (II) выходов данного устройства, а трубопровод отвода промывочной воды от пакета 18 сообщен с патрубком (не показан) третьего выхода (III) устройства, на котором установлен клапан 30.
Опреснительную установку используют следующим образом.
вх
вых
Первый вариант. Перед запуском установки от судовой системы пресной воды, открыв соответствующий клапан (не показано) заполняют корпус испарителя 4 первой ступени до определенного уровня, который поддерживается с помощью автоматического регулятора поплавкового типа (не показано), и который после выхода опреснительной установки на расчетный режим закрывают. Корпус 2 испарителя 4 второй ступени запитывают морской водой посредством включения насоса забортной воды 9 при закрытом клапане 14 (фиг.1). Уровень воды в корпусе 2 также контролируется поплавковым автоматическим регулятором (не показано). Одновременно забортную воду от насоса 9 подают по трубопроводам на охлаждение конденсатора 5 опреснительной установки (не показано). Затем открывают разобщительные клапаны (не показаны) подачи греющей среды, например пара, на испаритель 4 первой ступени, в корпусе 1 которой образуется пар, называемый вторичным. Вторичный пар проходит жалюзийный сепаратор 3, затем проходит через испаритель 4 корпуса второй ступени 2, где пар конденсируется, отдавая свое тепло морской воде, содержащейся в корпусе 2. Образующийся в испарителе 4 дистиллят отбирается конденсатным насосом (не показан) второй ступени в сборник дистиллята (не показан). Качество дистиллята при этом контролируется соответствующим солемером с электромагнитным клапаном (не показаны), с помощью которого дистиллят по перепускному трубопроводу (не показан) автоматически возвращается на испарение обратно в корпус первой ступени 1, если соленость его превышает 5 мг/л. Морская вода при нагревании испарителем 4 в корпусе 2 второй ступени испаряется, образуя первичный пар. Этот пар через его сепаратор 3 поступает из него в конденсатор 5, охлаждаемый забортной водой, где конденсируется. При закрытом клапане 6 конденсатный насос (не показан) через открытый клапан 23 на патрубке первого входа (I) устройства для выработки электроэнергии наполняет его гравитационную цистерну 21 опресненной водой, которая из нее проходит под напором, благодаря ее возвышению, в пакет мембран 18 через его патрубок входа опресненной воды 37 (фиг.2, 3) и, далее, пройдя по каналам входа опресненной воды 40 (фиг.2, 3), пазам входа 41, межмембранным каналам с турбулизаторами 33, пазам выхода 42, каналам выхода 40, патрубок 38 выхода из пакета 18 опресненной воды, выходит через первый выход (I) из устройства для выработки электроэнергии. После него конденсат направляется в первую ступень испарения при закрытом клапане 7. При вынужденном отключении (ремонте или замене) устройства для выработки электроэнергии клапан 6 открывают, а клапан 23 соответственно закрывают. В этом случае также при закрытых клапанах 16 и 25 и открытом клапане 17 посредством насосов 8, открывая клапаны 10, 11, сбрасывают рассол из корпусов ступеней испарения в обвод устройства для выработки электроэнергии за борт. Клапан 7 открывают для подачи части воды в сборник дистиллята низкого качества, идущего на технические нужды в случаях превышения уровня воды (по сигналу регулятора уровня) выше допустимого в корпусе 1 испарителя 4 первой ступени.
вх
вых
Перед включением устройства для выработки электроэнергии в работу закрывают клапан 6 и открывают клапан 23. Рассол, который образуется в результате испарения воды в обеих ступенях, направляют через патрубок третьего входа (III) устройства для выработки электроэнергии в гравитационную цистерну соленой воды 22 с помощью насосов 8, открывая при закрытом клапане 11 клапаны 10, 17, 25. С ее наполнением он поступает под напором, благодаря возвышению, в пакет мембран 18 через патрубок входа соленой воды 37 (фиг.2, 3), где проходит по каналам входа соленой воды 40, пазам входа 41, межмембранным каналам с турбулизаторами 33, пазам выхода 42, каналам выхода 40, патрубку 38 выхода из пакета 18 соленой воды и через второй выход (II) устройства для выработки электроэнергии сбрасывается за борт. Каналы опресненной воды в пакете 18 чередуются с каналами, по которым движется соленая вода, и ограничены с одной стороны анионитовой 20 (фиг.2), а с другой катионитовой мембранами 19.
-
+
2
2
Соленая вода, в которой растворено значительное количество разнообразных солей, представляет собой сильный электролит. Ионы солей стремятся пройти в раствор более низкой концентрации, который движется с противоположной стороны мембраны. Селективность мембран позволяет проходить через катионовые мембраны только отрицательным (например, Cl), a через анионовые - положительным ионам (Na). Направленное движение ионов вызывает появление электрических зарядов на мембранах: отрицательного на катионовых и положительного на анионовых. Чем больше таких каналов в пакете, тем более высокое напряжение и мощность можно получить в цепи электрической нагрузки, замыкающейся на крайние электроды. 500 пар мембран шириной 1 метр, высотой пакета 0,5 метра заявляемого изобретения создают напряжение 100 В. Может быть вариант и в 1000 пар мембран, тогда создается напряжение 200 В. Удельная мощность (мощность, приходящаяся на 1 м суммарной площади мембран) устройства для выработки электроэнергии составляет 4 Вт/м для градиента соленостей 105‰ (соленая вода) и 3‰ (опресненная вода).
вх
Максимальная мощность пакета мембран достигается при оптимальной солености опресненной воды (2…3‰) которую контролируют солемером 12. Сигнал от солемера поступает на электромагнитный клапан 13, возвращающий в случае, если соленость превышает значение 3‰, конденсат на повторное испарение в корпус 1 испарителя 4 первой ступени. Если величина солености опресненной воды будет ниже 2‰, сигнал от солемера 12 поступает на систему (не является предметом притязаний) автоматического регулирования заслонками жалюзийного сепаратора 3 корпуса второй ступени, которые изменяют величину капельного уноса жидкости при испарении во второй ступени 2. На случай выхода из строя этой системы предусмотрен вариант (при солености менее 2‰) разбавления дистиллята в емкости 21 морской водой от насоса 9 посредством открытия клапана 14 и клапана 24 патрубка второго входа (II) устройства для выработки электроэнергии. Эти же клапаны, а также клапан 16 открывают, руководствуясь показаниями солемера 12 для поддержания уровней в гравитационных емкостях 21 и 22 на переменных режимах работы СЭУ, когда дистиллята и рассола становится недостаточно для обеспечения заданного расхода воды через пакет мембран 18 (клапан 25 открыт ранее).
вых
После того, как гравитационная емкость соленой воды заполнится до требуемого уровня, открывают разобщительные клапаны 29 и 30 в устройстве для выработки электроэнергии, включая его в работу. Соленая вода от клапана 29 направляется сначала в патрубок входа 37 пакета 18 (фиг.2) для промывки верхней электродной камеры, из которой вода выходит через верхний патрубок ее выхода 38. Далее промывочная вода поступает к патрубку входа 37 пакета 18 в нижнюю электродную камеру, промывает ее и покидает через выходной патрубок 38. После промывки данных камер вода через клапан 30 на патрубке третьего выхода (III) поступает в нижнюю часть корпуса испарителя второй ступени.
вх
Второй вариант опреснительной установки (фиг.4) используют аналогично первому. Отличие заключается в том, что пар от второй ступени через открытый в устройстве для выработки электроэнергии клапан 23 на его патрубке первого входа (I) подают в патрубок входа 37 (фиг.2) опресняемой среды в виде пара (фиг.4), где он проходит по межмембранным каналам, омываемым холодной соленой водой. В каналах пар конденсируется, конденсат выходит из устройства для выработки электроэнергии. Далее конденсат, соленость которого контролируется солемером 12 и должна находиться в диапазоне 2…3‰, с помощью электромагнитного клапана 13 направляется в первую ступень на повторное испарение. Если соленость выходит за заданные пределы, от солемера подается сигнал на систему (не является предметом притязаний) автоматического регулирования заслонками жалюзийного сепаратора 3 корпуса 2, регулирующего процесс испарения. Клапан 6 открывают для подачи части воды в сборник дистиллята низкого качества, идущего на технические нужды, при работе опреснительной установки в случаях превышения уровня воды по регулятору уровня выше допустимого в корпусе 1 испарителя 4 первой ступени.
Третий вариант опреснительной установки используют аналогично первому. Отличие заключается в том, что здесь применяется только одна ступень испарения (парогенерирующее устройство). При этом, если качество дистиллята, которое контролируется солемером 12, удовлетворяет поставленным требованиям (соленость не более 5 мг/л), он также через клапан 6 поступает в сборник дистиллята, в противном случае, с помощью электромагнитного клапана 13 аналогично направляется обратно в корпус 1 первой ступени испарения. В устройстве для выработки электроэнергии опресненную воду насосом 43 перемещают по замкнутому циркуляционному контуру через его открытый клапан 44. Заданное солесодержание циркуляционной воды (2…3‰) управляется вторым солемером 48 (в данном контуре), подающим сигналы на электромагнитные клапаны второй и третий - соответственно 45 и 46. Если соленость меньше 2‰, эти клапаны закрыты, и соленость повышается за счет перехода ионов соли через мембраны в каналах пакета мембран 18 от соленой воды. При увеличении солености выше 3‰ небольшая часть дистиллята (примерно 3…4% от производительности опреснительной установки) с помощью электромагнитного клапана 45 по сигналу солемера 48 подается в гравитационную емкость опресненной воды 21 на подпитку замкнутого контура, в котором насосом 43 обеспечивается циркуляция опресненной воды. Одновременно такое же количество воды по сигналу солемера 48 выводится из контура через электромагнитный клапан 46 при закрытом клапане 47 и открытом клапане 49 в корпус ступени на повторное испарение вместе с промывочной водой. Разобщительный клапан 47 открывают для сброса за борт воды из циркуляционного контура при остановке опреснителя. Клапаны 14 и 15 подачи морской воды от насоса 9 предусмотрены для увеличения солености опресненной воды в циркуляционном контуре в период запуска опреснительной установки при ее контроле солемером 48. Устройство для выработки электроэнергии принимает при необходимости соленую воду от рассольного насоса 8 (через клапаны 10, 27), однако, если расход рассола не достаточен для поддержания уровня в гравитационной емкости соленой воды, что обычно бывает на частичных режимах, соленую воду добавляют от насоса забортной воды (через клапаны 14, 16, 27). Клапан 11 открывают, а клапан 28 закрывают при отключении устройства для выработки электроэнергии, при этом рассол сбрасывается за борт.
Исполнение устройства для выработки электроэнергии в виде модульной конструкции способствует легкому соединению пакетов мембран в единую гидросистему, позволяющую получить мощность, которая может обеспечить работу не только вспомогательных механизмов самой опреснительной установки но, в случае необходимости, и других судовых потребителей электроэнергии.
Таким образом, за счет дополнительного преобразования энергии градиентов солености повышается эффективность использования вторичных энергоресурсов и снижение выбросов токсичных и парниковых газов тепловых двигателей. Это является достоинством заявляемого изобретения в трех его вариантах.