Способ получения пресной воды и опреснительная установка для его осуществления

Изобретение относится к способу получения пресной воды и опреснительной установке и может быть использовано для получения чистой питьевой воды, особенно в районах, где отсутствуют источники питьевой воды как таковые. Способ заключается в том, что морскую воду подают в опреснительную установку, где ее нагревают с образованием парокапельной субстанции, которую конденсируют, и получаемую пресную воду подают потребителю. Нагрев морской воды осуществляют созданием низкотемпературной плазмы, горение которой сопровождают регулируемой по частоте пульсацией электрического разряда. Необходимые температуру горения плазмы и частоту пульсации электрического разряда осуществляют путем регулирования числа подключенных к сети электродов в зависимости от величины электропроводности морской воды, замеряемой при ее подаче в опреснительную установку. Образующуюся при этом кипящую парокапельную смесь охлаждают и конденсируют в питателе-холодильнике, после чего выводят из установки опресненную воду, а образующиеся при этом морские соли в виде хлопьев осаждают на дно. Опреснительная установка содержит цельный корпус, выполненный в виде совмещенных емкостей - верхней конической, предназначенной для получения парокапельной смеси, средней цилиндрической, предназначенной для создания волновых и вибрационных процессов в установке, и нижней профилированной, используемой для осаждения хлопьев морских солей. В верхней конической емкости размещены фазные электроды, каждый из которых заключен в изолирующую оболочку, а сама емкость сообщается с питателем-холодильником. Техническим результатом, для обеспечения достижения которого предназначено заявленное изобретение, является разработка способа простого и экономичного получения пресной воды из морской воды, а также простой по конструкции и удобной в обслуживании установки для реализации разработанного способа, обеспечивающей к тому же снижение энергоемкости процесса и исключающей образование накипи на стенках установки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к способу получения пресной воды и опреснительной установке, и может быть использовано для получения чистой питьевой воды, особенно в районах, где отсутствуют источники питьевой воды как таковые.

Известно из авторского свидетельства СССР №952745, класс C02F 1/02 устройство для опреснения, содержащее камеру испарения, расположенный в ней кавитатор, патрубок для ввода воды, выполненный в виде конфузора, и пароотводную трубку, при этом кавитатор снабжен стержнем, подключенным к источнику колебаний, а пароотводная трубка расположена внутри стержня, причем камера испарения и пароотводная трубка снабжены электродами.

Данное изобретение интенсифицирует парообразование за счет воздействия на жидкость осевых колебаний, повышает производительность за счет создания коронного разряда.

К недостаткам известного устройства следует отнести наличие привода колебаний вала, сквозь который проходит пароотводная трубка, что усложняет конструкцию устройства и увеличивает энергозатраты при эксплуатации установки.

Известны из патента РФ №2184592, класс C02F 1/04, 2002 способ получения пресной воды и опреснитель для его осуществления. Известный способ включает подачу предварительно подогретой воды в испарительную камеру, ее испарение, конденсацию и сбор потребителю, дополнительно параллельную подачу пресной воды в камеру конденсации, где производят захват ею и конденсацию паров соленой воды и отбор излишков пресной воды потребителю, при этом подачу соленой и пресной воды в испарительную камеру производят в два этапа, включающих разрежение и напор, а объем подачи пресной воды превышает объем подачи соленой воды, при этом температура соленой воды превышает температуру холодной воды не менее чем на 18°С. Устройство опреснителя, реализующего данный способ, содержит камеру испарения, камеру конденсации и систему трубопроводов с арматурой для подачи и слива соленой и пресной воды, бак пресной воды с системой ее охлаждения и подачи в камеру конденсации и корпус, в днище и крышке которого размещены перегородки, разделяющие соленую и пресную воду. Между корпусом и крышкой размещены панели с отверстиями или форсунками, через которые соответственно соленая и пресная вода стекает в виде капель в испарительную и конденсационную камеры, разделенные сепаратором. Внутри конденсационной камеры расположен вакуумный коллектор, соединенный с вакуумным насосом через запорный клапан, а также охладитель, бассейн нагрева соленой воды, бак-накопитель соленой воды. Опреснитель снабжен указателями уровня заполнения камеры испарения, камеры конденсации, баков пресной воды. Система трубопроводов с арматурой для подачи и слива соленой и пресной воды включает насос, вентили, расходомеры и фильтры.

Известный способ, принятый в качестве ближайшего аналога, является достаточно трудоемким и энергозатратным, предполагает для реализации сложную в изготовлении и эксплуатации установку, которая будет энергоемкой и потребует значительных эксплуатационных затрат.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка способа простого и экономичного получения пресной воды из морской воды, а также простой по конструкции и удобной в обслуживании установки для реализации разработанного способа, обеспечивающей к тому же снижение энергоемкости процесса.

В этом же заключается и технический результат, для достижения которого предназначено данное изобретение, кроме того, техническим результатом, для обеспечения достижения которого предназначено заявленное изобретение, также является исключение образования накипи на стенках корпуса установки. Достижение указанного результата обеспечивается следующим образом. При осуществлении способа получения пресной воды морскую воду подают в опреснительную установку, осуществляют ее нагрев, создают парокапельную субстанцию, ее конденсируют и отводят получаемую опресненную воду потребителю, при этом нагрев морской воды осуществляют созданием низкотемпературной плазмы, горение которой сопровождают регулируемой по частоте пульсацией электрического разряда, необходимые температуру горения плазмы и частоту пульсации электрического разряда осуществляют путем регулирования числа подключенных к коммунальной электросети элетродов в зависимости от величины электрической проводимости морской воды, замеряемой при подачи ее в опреснительную установку; образующуюся при этом кипящую парокапельную субстанцию охлаждают и конденсируют в питателе-холодильнике, после чего выводят из установки опресненную воду, причем образующиеся морские соли в виде хлопьев осаждают на дно опреснительной установки, исключая тем самым появление накипи на стенках корпуса.

В части устройства получение технического результата обеспечивается тем, что установка содержит корпус и электроды, патрубки подвода морской воды и отвода пресной воды, при этом корпус выполнен в виде совмещенных емкостей - верхней конической, предназначенной для получения парокапельной смеси, средней цилиндрической, предназначенной для создания волновых и пульсирующих процессов в установке, и нижней профилированной, используемой для создания резонансов в объеме установки и сбора осадков морских солей, при этом в конической емкости размещены фазные электроды, каждый из которых заключен в изолирующую оболочку, а сама емкость сообщается с питателем-холодильником.

Принципиальная схема разработанной установки, реализующей предлагаемый способ получения пресной воды, представлена на фиг.1.

Упомянутая установка содержит цельный корпус, который может быть выполнен из любого металла, состоящий их трех взаимосвязанных между собой емкостей - верхней, выполненной в виде усеченного конуса 2, сужающейся частью переходящей в среднюю, выполненную в виде цилиндра емкость 3, в свою очередь переходящую в нижнюю профилированную емкость 4, нижняя часть которой, служащая для сбора осадка морских солей, выполнена цилиндрической и снабжена дном. В верхней части 2 установки размещены, по меньшей мере, четыре электрода, выполненные в виде стержней 5 из вольфрама, каждый из которых заключен в форфоровую изолирующую оболочку 6. К упомянутым электродам 5 подключается «фаза», а к корпусу установку присоединяется «нуль-провод» и заземление. К электродам 5 последовательно подключено реле-фазометр-амперметр 7, с помощью которого замеряется электропроводность морской воды. В верхней конической емкости 2 также размещены паровлагоотделители 8, регулирующие параметры парокапельной субстанции, образуемой в емкости 2 при работе установки. Емкость 2 посредством рукава 9 сообщается с питателем-холодильником 10, снабженный змеевиком и линиями отвода горячей и холодной пресной воды потребителю, каждая из которых снабжена водяными вентилями 11. Питатель-холодильник 10, наполненный морской водой, посредством гидравлического уровня 12, снабженного датчиком поплавкового типа, оснащенного игольчатым клапаном 13, через трубопровод 14 с водяным вентилем 15 сообщается с корпусом установки, обеспечивая в последнюю подачу морской воды. Средняя емкость 3 установки снабжена краном-заслонкой 16, с помощью которого, при необходимости, перекрывается подача морской воды в корпус.

Установка, реализуя заявленный способ получения из морской воды пресной, работает следующим образом.

Морскую воду подают в корпус опреснительной установки, замеряют ее электропроводность. В зависимости от полученной величины электрической проводимости морской воды определяют и задают необходимую величину силы тока путем подключения к сети как всех электродов, установленных в емкости 2, так и меньшее их количество, вплоть до одного. Величина силы тока при этом может быть уменьшена с 10 до 5 А. Изменяя величину силы тока, изменяют величину напряжения и одновременно варьируют спектр генерируемых электрическим разрядом акустических и электромагнитных колебаний. При подаче напряжения от коммунальной сети 220 В (127 В) между вольфрамовыми стержнями и корпусом опреснительной установки на вольфрамовых стержнях зажигаются плазмоиды. Горение плазмы происходит при температуре 500-3000°С и сопровождается следующими, происходящими в установке реакциями:

1. Н₂О+59 кДж/моль (0.62 эВ)↔H⁺+ОН^- (реакция диссоциации воды с потреблением электроэнергии).

2. H⁺+е^-→Н+1312 кДж/моль (13,6 эВ) (горение плазмы в воде вокруг электрода идет с выделением большого количества тепловой, звуковой и световой энергии).

3. Н+Н→Н2+436 кДж/моль (≈4,6 эВ) (образование на электроде газа водорода из молекул водорода идет с выделением тепловой энергии).

4. ОН^-+ОН^-→Н₂О+О.

5. О+О=О₂+143 кДж/моль (≈1,5 эВ) (образование газа кислорода из ионов гидроксила и атомов кислорода идет с выделением тепловой энергии)

При горении плазмы, в верхней конической емкости 2 опреснительной установки образуется парокапельное кипение, при этом образующаяся пароводяная смесь выводится в питатель-холодильник, на выходе которого получается пресная вода, с температурой в интервале от 98°С до температуры окружающей среды или температуры морской воды.

Как указывалось выше, работа установки сопровождается пульсациями, генерируемыми электрическим разрядом, с регулируемой частотой, что приводит к образованию хлопьев морских солей, которые осаждаются на дно опреснительной установки, что исключает появление накипи на стенках установки.

На получение 2-х литров пресной воды требуется около 1 кВт-часа электроэнергии.

Низкотемпературная плазма, обволакивающая рабочую часть вольфрамового стержневого электрода, формируется при зажигании электрического разряда между вольфрамом и морской водой, поляризующейся благодаря достаточной площади контакта с объемным корпусом опреснителя. Электрический разряд зажигают согласно вольтамперной характеристике (ВАХ), разработанной авторами.

На фиг.2 представлен график ВАХ для морской воды с соленостью 35 промилле (35 грамм соли на 1 кг воды), соответствующей средней солености мирового океана. При солености морской воды более 35% ВАХ сдвигается по оси абсцисс влево, а при солености менее 35% - вправо. Соленость морской воды обуславливает ее электропроводность и, следовательно, необходимость первоначальной установки плотности тока (i, А/см²), что осуществляют вдвиганием или выдвиганием вольфрамовых электродов из фарфоровых изолирующих оболочек.

Тонкое регулирование плотности тока приводит к регулированию температуры плазмы и вариации спектра генерируемых электрическим разрядом акустических и электромагнитных колебаний. Все это достигается включением или отключением различного количества вольфрамовых электродов.

В патентуемом опреснителе используются только инфразвуковые, звуковые и ультразвуковые колебания, однако необходимо отметить, что при работе опреснителя «глушатся» передачи в радиоприемниках на длинных, средних, и коротких волнах. Плазменно-электрохимический процесс генерирует широкий спектр импульсов из формируемой микропузырьковой субстанции (гидродинамическая кавитация) и из плазмы, формируемой между вольфрамом и морской водой. На фиг.3 представлена осциллограмма 1 - импульсы с частотой примерно 100 Гц, генерируемые одним вольфрамовым электродом. Очевидно, что при более высоких частотах этот электрод будет генерировать колебания низкой интенсивности. На фиг.4 представлена осциллограмма 2 - колебания, генерируемые двумя вольфрамовыми электродами на более высоких звуковых частотах. Можно видеть, что происходит суперпозиция колебаний, генерируемых каждым электродом, то есть суммарная интенсивность колебаний увеличивается. И, наконец, на фиг.5 представлена осциллограмма 3 - ультразвуковые колебания, генерируемые четырьмя вольфрамовыми электродами. Понятно, что колебания каждого электрода не сфазированы с колебаниями остальных, однако можно утверждать, что интенсивность ультразвуковых колебаний в сумме можно считать неплохой.

С учетом экономического фактора патентуется минимальное количество электродов - четыре. Одновременно из рассмотренных осциллограмм проявлена тонкая регулировка характеристики в заданном пределе 10 А, т.к. опреснитель рассчитан на электрическую мощность 2 кВт.

Итак, патентуемый опреснитель гибко настраивается на работу в условиях осаждения морских солей с перспективой их применения в народном хозяйстве и на получение пресной воды требуемой кондиции.

1. Способ получения пресной воды, заключающийся в подаче морской воды в опреснительную установку, ее нагреве, образовании парокапельной субстанции, ее конденсации и отводе получаемой пресной воды потребителю, при этом нагрев морской воды осуществляют созданием низкотемпературной плазмы, горение которой сопровождают регулируемой по частоте пульсацией электрического разряда, причем необходимые температуру горения плазмы и частоту пульсации электрического разряда осуществляют путем регулирования числа подключенных к сети электродов в зависимости от величины электропроводности морской воды, замеряемой при ее подаче в опреснительную установку, образующуюся при этом кипящую парокапельную смесь охлаждают и конденсируют в питателе-холодильнике, после чего выводят из установки опресненную воду, образующиеся при этом морские соли в виде хлопьев осаждают на дно опреснительной установки, исключая тем самым образование накипи на стенках корпуса установки.

2. Способ получения пресной воды по п.1, отличающийся тем, что температура горения плазмы составляет 500-3000°С.

3. Способ получения пресной воды по п.1, отличающийся тем, что частота пульсации электрического разряда составляет 10 Гц-30 МГц.

4. Опреснительная установка, содержащая корпус, средства подвода морской воды и отвода пресной воды, при этом корпус выполнен цельным в виде совмещенных емкостей - верхней, конической, предназначенной для получения парокапельной смеси, средней, цилиндрической, предназначенной для создания волновых и вибрационных процессов в установке, и нижней профилированной, используемой для осаждения хлопьев морских солей, причем в верхней, конической, емкости размещены фазные электроды, каждый из которых заключен в изолирующую оболочку, а сама емкость сообщается с питателем-холодильником.

5. Опреснительная установка по п.4, отличающаяся тем, что фазные электроды выполнены в виде стержней.

6. Опреснительная установка по п.5, отличающаяся тем, что стержни выполнены из вольфрама.

7. Опреснительная установка по п.4, отличающаяся тем, что изолирующая оболочка выполнена из фарфора.