Устройство дистилляции жидкости, обеспечивающее повышенный коэффициент полезного действия
Изобретение относится к устройству и способу дистилляции жидкости. Устройство содержит камеру конденсации и камеру нагрева, выполненные в кожухе. Исходная жидкость, поступающая в камеру конденсации, предварительно нагревается и проходит в камеру нагрева, где она кипит для получения пара. Газовое барботирование в камере конденсации повышает теплопередачу и поглощает дополнительный пар, генерируемый предварительным нагревом. Конденсатор является спиральным или другим горизонтальным трубчатым теплообменником. Технический эффект - снижение энергозатрат. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область и уровень техники
В патентах США №4,976,824, №5,030,327 и №5,332,476 раскрыто несколько вариантов осуществления системы дистилляции текучей среды. Эти варианты осуществления большей частью обеспечивают эффективное действие и существенный выход дистиллированной воды. Но за счет усовершенствования конструкции этой системы ее действие и производительность можно повысить. Настоящее изобретение направлено на устройство и способ обеспечения повышенного выхода дистиллированной воды из этой системы, при этом сохраняя относительно простую ее конструкцию.
В патенте США №5,490,906 описано несколько вариантов осуществления системы дистилляции текучей среды; при этом каждый вариант осуществления использует первичную емкость или камеру для дистиллируемых воды или текучей среды и вторичную емкость или камеру. Две камеры примыкают друг к другу, и вторичная камера взаимодействует с первичной камерой, обеспечивая направление водяного пара, генерированного системой, в бак для ее сбора.
Пример такого устройства дистилляции текучей среды был осуществлен изобретателем данного изобретения и раскрыт в переизданной монографии Б.Чж.Хуана, которую можно приобрести в Национальном Тайваньском Университете, Тайбэй Тайвань, до подачи данной заявки. Устройство дистилляции содержит отдельные камеру нагревания и камеру конденсации, в которой пар конденсируется во множестве вертикальных камер.
Однако желательно дальнейшее усовершенствование устройства дистилляции и способов, используемых для воды и других жидкостей. Такое устройство должно быть предпочтительно компактным, обеспечивать высокий кпд дистилляции, т.е. минимальную энергию, затрачиваемую на единицу получаемой дистиллированной воды; и сконструированным с возможностью изготовления его в виде малых и больших узлов. По меньшей мере некоторые из этих задач достигаются раскрытыми здесь изобретениями.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованное устройство и способы дистилляции жидкости. Устройство может быть выполнено в разнообразных видах, но предпочтительно - в компактном виде, легко изготавливаемом при относительно низкой себестоимости, как раскрыто более подробно ниже. Устройство согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность дистилляции воды и других жидкостей на очень эффективной основе, с обычным энергопотреблением, равным 380 ккал на литр дистиллированной воды или менее; предпочтительно 320 ккал на литр дистиллированной воды или менее.
В первом аспекте устройство дистилляции согласно настоящему изобретению содержит кожух, определяющий камеру нагрева и камеру конденсации. Кожух обычно представляет собой цельную оболочку или корпус, внутренняя конструкция которого определяет отдельные камеры, но также, что менее желательно, он может быть выполнен в виде отдельных кожухов или конструкций, соединенных вместе трубопроводами, каналами или т.п. Этот кожух определяет общее паровое пространство над камерами нагрева и конденсации и имеет вход подачи жидкого исходного материала в камеру конденсации.
Горизонтальный трубчатый конденсатор, такой как винтовой или спиральный трубчатый конденсатор, расположен в камере конденсации и имеет вход пара на его верхнем конце и дальний выход для чистого конденсата на его нижнем конце. Для повышения кпд газовый барботер, такой как аэратор, расположен в камере конденсации для обеспечения направления воздуха или других газовых пузырьков вверх через камеру конденсации. Эти пузырьки обеспечивают два определенных положительных эффекта. Во-первых, пузырьки осуществляют газоочистку теплопередающих поверхностей конденсатора и тем самым увеличивают теплопередачу. Во-вторых, пузырьки поглощают пар непосредственно из исходной жидкости, нагреваемой по мере конденсации пара в конденсаторе. Пар в пузырьках увлекается вверх в паровое пространство, где он объединяется с водяным паром из камеры нагрева, содержащей электрический или другой нагревательный элемент, обеспечивающий кипение воды или другой жидкости в ней.
Комбинированные пары, которые собираются в паровом пространстве, проходят вниз через горизонтальный трубчатый конденсатор, где пары конденсируются за счет теплообмена с относительно холодным жидким исходным материалом, обычно холодной водой, проходя в камеру конденсации. После конденсации чистый дистиллят может быть собран из выхода на нижнем конце конденсатора.
Можно отметить, что высокий кпд, обеспечиваемый устройством и способами настоящего изобретения, обусловлен, по меньшей мере частично, взаимодействием между проходящими вверх пузырьками газа из газового барботера и горизонтально расположенными теплообменными поверхностями горизонтального трубчатого конденсатора. В предпочтительных спиральных и других имеющих плотную компоновку конфигурациях горизонтальных трубчатых конденсаторов пузырьки будут проходить вверх по множеству извилистых проходов, в которых направленное течение постоянно изменяется и осуществляется тесный контакт между пузырьками и открытыми поверхностями трубчатых конденсаторов. Плотная конфигурация горизонтальных трубок также является преимуществом, т.к. обеспечивает возможность изготовления очень компактного устройства дистилляции.
Согласно предпочтительным аспектам устройства кожух представляет собой цилиндр, имеющий вертикальную ось. Камера нагрева содержит трубчатую стенку, расположенную соосно с вертикальной осью цилиндрического кожуха, и камера конденсации расположена кольцеобразно вокруг трубчатой стенки камеры нагрева. При этом горизонтальный трубчатый конденсатор может предпочтительно содержать спиральную трубку, установленную в кольцевой камере конденсации, более предпочтительно содержит множество спиральных трубок, расположенных спирально в камере конденсации и проходящих от верхнего конца к ее нижнему концу. Множество конденсирующих трубок могут быть соединены на дне с помощью патрубка или другой сборной камеры для сбора чистого дистиллята.
В предпочтительных конструкциях камера нагрева и камера конденсации - обе открыты на их верхних концах, общее паровое пространство и камера нагрева на нижнем конце открыта в камеру конденсации, чтобы предварительно нагретая жидкость проходила из камеры конденсации в камеру нагрева. Коротко, нижний конец камеры конденсации образует открытый объем, и по меньшей мере одно отверстие или проход обеспечен в трубчатой стенке камеры нагрева для прохождения потока жидкости. Обычно для прохождения жидкости между камерой конденсации и камерой нагрева предусмотрен только один проход или отверстие на нижнем конце. Таким образом, поток входящей жидкости должен сначала пройти через камеру конденсации перед вхождением в камеру нагрева. Барботирующий воздух или газ может быть обеспечен любым обычным образом. Как правило, перфорированная трубка, обычно перфорированная спиральная трубка, расположена в нижнем пространстве камеры конденсации для прохождения барботирующих пузырьков вверх через нее.
Во втором аспекте способ согласно данному изобретению включает подачу исходной жидкости через камеру конденсации в камеру нагрева. Исходящая жидкость кипит в камере нагрева для образования первой паровой фазы. Воздух, или другой газ, барботирует вверх через камеру конденсации для образования второй паровой фазы, которая уносится вверх пузырьками газа. Первая и вторая паровые фазы объединяются и конденсируются в горизонтальном трубчатом конденсаторе в камере конденсации. Пузырьки газа повышают теплопередачу между входящей исходной жидкостью и конденсирующим паром для одновременного увеличения конденсации и предварительного нагревания исходной жидкости. Чистый дистиллят затем может быть собран из нижней части конденсатора.
В третьем аспекте настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованный способ дистилляции воды. Такой способ предусматривает осуществление кипения воды для получения водяного пара, и водяной пар конденсируют в конденсаторе за счет теплообмена с исходной водой. Усовершенствование настоящего изобретения предусматривает барботирование конденсатора воздухом для повышения теплопередачи и получения дополнительного пара, генерированного предварительным нагревом. Это усовершенствование, как вариант, предусматривает конденсацию пара в горизонтальном трубчатом теплообменнике. Усовершенствованный способ обеспечивает получение воды с высоким кпд дистилляции.
Энергопотребление из расчета на один литр воды, полученной способами и устройством настоящего изобретения, обычно составляет ниже 380 ккал/л, предпочтительно менее 320 ккал/л. В усовершенствованных способах обычно используется горизонтальный трубчатый конденсатор для обеспечения упомянутых выше преимуществ.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическое изображение устройства дистилляции, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения, при этом показаны в качестве примера потоки жидкости и газа.
Фиг.2 - вариант осуществления устройства, выполненного согласно принципам настоящего изобретения, при этом некоторые части устройства показаны в разрезе, чтобы показать внутренние элементы.
Подробное описание изобретения
Ссылаясь на Фиг.1, устройство 10 согласно настоящему изобретению содержит кожух 12, имеющий по меньшей мере камеру 14 конденсации и камеру 16 нагрева. Вход 18 исходной жидкости обеспечен в камеру конденсации 14, и элемент 20 нагрева сопротивлением или другой нагревательный элемент установлены в камере 16 нагрева. Камера 14 конденсации и камера 16 нагрева разделены внутренней перегородкой 24, но, как правило, они соединены или открыты на их верхнем и нижнем концах, чтобы обеспечить внутренний поток или перемещение жидкостей и паров, как будет подробно описано ниже. В частности, паровое пространство 26 определено на верхнем конце кожуха 12, и отверстие или проход 28 предусмотрено в нижней части кожуха.
Горизонтальный трубчатый конденсатор 30 расположен в камере 14 конденсации и содержит множество по существу горизонтальных теплообменных трубок, которые служат для конденсации пара, входящего из верхнего его конца 32, и для предварительного нагрева поступающей через вход 18 исходной жидкости. Горизонтальный трубчатый конденсатор 30 может быть выполнен в разных видах и схематически показан в виде по существу спиральной конструкции, имеющей несколько секций обращенного потока. Более обычно конденсатор выполнен в виде витка спирали или спирали, как более подробно раскрыто ниже со ссылкой на Фиг.2.
Важным признаком настоящего изобретения является наличие воздушного или газового барботера 38 на или вблизи дна нижней части камеры 14 конденсации. Барботирующий газ вводится через барботер 38, и образуются пузырьки, которые проходят вверх через исходную жидкость в направлении, по существу противоточном потоку жидкости, по меньшей мере в нижней части камеры 14. Поскольку исходная жидкость нагревается потоком пара через горизонтальный трубчатый конденсатор 30, пар будет генерироваться в исходной жидкости, которая будет по существу сливаться с пузырьками газа. При прохождении пузырьков газа вверх через верхнюю поверхность 40 жидкости пар будет выходить в паровое пространство 26 вместе с паром из камеры нагрева, как будет более подробно описано ниже. Пузырьки также будут повышать теплопередачу между входящей исходной жидкостью и паром, проходящим вниз через горизонтальный трубчатый конденсатор 30, как описано выше.
Исходная жидкость, после ее предварительного нагрева в камере 14 конденсации, проходит в камеру нагрева, как показано стрелкой 44. Жидкость, входящая в камеру 16 нагрева, нагревается нагревательным элементом 20 для обеспечения ее кипения и генерации пара. Генерированный в камере 16 нагрева пар также проходит в паровое пространство 26, где он объединяется с паром из барботированного газа в камере конденсации. Таким образом, пар из камеры 16 нагрева, показанный стрелкой 46, и пар из камеры 14 конденсации, показанный стрелкой 48, проходят в верхний конец 32 горизонтального трубчатого конденсатора 30, где объединенные пары затем проходят вниз по трубке и конденсируются за счет теплообмена с исходной жидкостью. Конденсированный пар обеспечивает «чистый дистиллят», который затем можно собрать из выхода 50 конденсатора. Ниже приведен в качестве примера баланс массы и энергии:
| ПРИВОДИМЫЙ В КАЧЕСТВЕ ПРИМЕРА БАЛАНС МАССЫ И ЭНЕРГИИ | |
| Общий объем в кожухе 12... | 6 л |
| Объем в спиралях 30... | 3,5 л |
| Объем в камере нагрева 16... | 1,5 л |
| Площадь поверхности спиралей 30... | 0,9 кв.м |
| Поток воды... | 4,6 л/час |
| Барботирующий поток воздуха... | 360 л/час |
| Удельное энергопотребление... | 318 ккал/час |
| Кпд конденсатора... | 0,2 м2 ч/л |
Ссылаясь на Фиг.2, описан предпочтительный вариант устройства дистилляции согласно настоящему изобретению. Цилиндрический кожух 100 содержит воду или другую жидкость на уровне 111. Вода или другая исходная жидкость 112, предназначенная для дистилляции, вводится в кожух 100 через вход 113. Уровень 111 жидкости в кожухе может поддерживаться при помощи обычного устройства, такого как датчики уровня и регуляторы входящей исходной жидкости (не показаны). Сток 114 предусмотрен для периодического удаления застойной жидкости конденсатора, которая с течением времени собирается в нижней части кожуха 100. Стрелкой 115 показано направление потока застойной жидкости из стока 114.
Паровое пространство 116 образовано на верхнем конце внутреннего пространства 100, по существу над поверхностью 111 жидкости. Множество спиральных конденсирующих трубок 117 (показано пять) расположено кольцеобразно на внешней периферии внутреннего пространства кожуха 100. Хотя конденсирующие трубки 117 обычно имеют круглое поперечное сечение, но возможны и другие формы поперечного сечения трубок, такие как овальные, квадратные, многоугольные или т.п. Но, как правило, предпочтительно, чтобы спирали были расположены таким образом, что трубки будут по существу горизонтальными для увеличения контакта с барботирующими пузырьками газа, как описано выше. Спиральные трубки 117, однако, не являются строго горизонтальными, и термин «горизонтальный» здесь означает только то, что трубки будут иметь угол менее 45° относительно горизонтали, обычно менее 25°, и наиболее предпочтительно менее 15°. Приведенный в качестве примера угол имеет значения в пределах 1,5-2,5°.
Пар из парового пространства 116 будет входить в конденсирующие трубки 117, как указано стрелками 126 и 130. При прохождении пара вниз через конденсирующие трубки 117 теплообмен с входящей жидкостью будет конденсировать пар, получая необходимый дистиллят. Дистиллят предпочтительно удаляют через бак или патрубок 118, который объединяет поток, выходящий из каждой конденсирующей трубки 117, и обеспечивает общий выход 119, из которого можно отводить дистиллят.
Газовое барботирование по теплообменным трубкам 117 предпочтительно осуществляют газонагнетательной трубкой 122 с отверстиями 123, которые создают пузырьки 124 (стрелкой 121 показано направление потока в газонагнетательную трубу 122). Пузырьки проходят вверх через конденсирующие трубки 117 в кольцевой камере 120 конденсации. Для удобства пузырьки 124 показаны только в части конденсирующего пространства. В процессе работы пузырьки будут проходить вверх через всю кольцевую камеру 120 конденсации. Ссылочной позицией 125 показаны пузырьки на поверхности жидкости. Также необходимо отметить, что можно использовать различные другие газовые барботеры, включая перфорированные патрубки, пористые камни и пр. Также необходимо отметить, что барботирование можно осуществлять при помощи воздуха (в этом случае его можно назвать аэрацией) или разных других газов.
Камера 127 нагрева определена трубчатой стенкой 131, окружающей нагревательный элемент 128. Вода из камеры 120 конденсации проходит внутрь камеры 127 нагрева через отверстие 133, выполненное в ее нижней части. Нагревательный элемент 128 создает пузырьки 132 пара жидкости, которые проходят вверх через верхнее отверстие 129 в камере нагрева в паровое пространство 116. Затем пар проходит в верхние части конденсирующих трубок, как указано стрелкой 130 и изложено выше.
По выбору в нижней части кожуха 100 для охлаждения конденсата установлен вентилятор (не показан) или другое охлаждающее устройство. Также по выбору для более эффективного охлаждения конденсата можно обеспечить охлаждающие ребра (не показаны) или другие дополнительные теплообменные средства.
В альтернативных вариантах осуществления (не показаны) конденсатная линия(и) конденсата и/или барботажная линия(и) газа могут вводиться через верхнее пространство 130 кожуха. Прочие аспекты выполнения циркуляции воды и газа в основном останутся теми же. Если конденсатная линия выводится через верхнее пространство, то в верхнем пространстве можно также предусмотреть дополнительный вентилятор и/или охлаждающие ребра.
Следует отметить, что конструкция и работа устройства дистилляции согласно Фиг.2 являются относительно простыми. В частности, уровень жидкости и в камере 120 конденсации, и в камере 127 нагрева будет одинаковым, поэтому будет требоваться только одна система регулирования уровня. Тепло в устройство подается в основном тем количеством энергии, которое выделяется нагревательным элементом 128. Испарение воды в пузырьки газа охлаждает исходную воду, и охлаждающий конденсатор будет конденсировать большее количество пара. Поэтому желательно, чтобы исходная вода была холодной. Влажность барботирующего газа предпочтительно поддерживается на относительно низком уровне, хотя часто ее регулирование будет трудным.
Хотя выше приведено описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения, но возможно использование различных альтернатив, модификаций и эквивалентов. Поэтому приведенное выше описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем изобретения, который определен приложенной формулой изобретения.
1. Устройство дистилляции жидкости, содержащее кожух, определяющий камеру нагрева, камеру конденсации, имеющую верхнюю часть и нижнюю часть, общее паровое пространство, которое находится над камерой нагрева и камерой конденсации, и вход для исходной жидкости в камеру конденсации, при этом исходная жидкость, входящая из указанного входа, проходит через камеру конденсации в камеру нагрева; горизонтальный трубчатый конденсатор, содержащий множество трубок, расположенных между паровым пространством и нижней частью камеры конденсации, причем конденсатор имеет вход для пара на его верхнем конце и выход для дистиллята на его нижнем конце, и газовый барботер, расположенный в нижней части камеры конденсации с возможностью направления пузырьков газа вверх через исходную жидкость в камеру конденсации, причем пузырьки осуществляют газоочистку трубок для повышения теплопередачи и поглощения пара из исходной жидкости, при этом пар, образованный в камере нагрева, объединяется с паром, поглощенным пузырьками газа, в паровом пространстве, и объединенные пары проходят через конденсатор и конденсируются с получением дистиллята.
2. Устройство дистилляции по п.1, в котором кожух является цилиндрическим и имеет вертикальную ось.
3. Устройство дистилляции по п.2, в котором камера нагрева содержит трубчатую стенку, расположенную соосно с вертикальной осью кожуха.
4. Устройство дистилляции по п.3, в котором камера конденсации расположена кольцеобразно вокруг трубчатой стенки камеры нагрева для формирования кольцеобразной камеры конденсации.
5. Устройство дистилляции по п.4, в котором множество трубок содержит спиральную трубку, расположенную в кольцевой камере конденсации.
6. Устройство дистилляции по п.5, в котором горизонтальный трубчатый конденсатор содержит множество спиральных трубок, расположенных в кольцевой камере конденсации.
7. Устройство дистилляции по п.4, в котором камера нагрева и камера конденсации открыты на их верхних концах в паровое пространство.
8. Устройство дистилляции по п.7, в котором камера нагрева открыта в камеру конденсации для обеспечения возможности прохождения предварительно нагретой жидкости из камеры конденсации в камеру нагрева.
9. Устройство дистилляции по п.8, в котором камера нагрева и камера конденсации являются открытыми на их нижних концах для обеспечения прохождения предварительно нагретой жидкости из камеры конденсации в камеру нагрева.
10. Устройство дистилляции по п.9, в котором камера нагрева и камера конденсации являются открытыми только на их нижних концах для обеспечения прохождения предварительно нагретой жидкости из камеры конденсации в камеру нагрева.
11. Устройство дистилляции по п.2, в котором газовый барботер содержит перфорированную спиральную трубку в нижнем пространстве камеры конденсации.
12. Способ дистилляции исходной жидкости, включающий подачу исходной жидкости через камеру конденсации в камеру нагрева, обеспечение кипения исходной жидкости в камере нагрева для создания первой паровой фазы, барботирование газа вверх через исходную жидкость в камеру конденсации для получения второй паровой фазы, образуемой за счет поглощения пузырьками газа, при этом первая и вторая паровые фазы объединяются в пространстве над камерами конденсации и нагревания для получения объединенных первой и второй паровых фаз; прохождение объединенных первой и второй паровых фаз в конденсатор, погруженный в исходную жидкость в камере конденсации, при этом первый и второй исходные пары конденсируются, а пузырьки газа очищают поверхности конденсатора для повышения теплопередачи между исходной жидкостью и конденсирующимся паром в конденсаторе, и сбор дистиллята из нижней части конденсатора.
13. Способ по п.12, в котором исходная жидкость содержит воду.
14. Способ по п.13, в котором энергия, необходимая для дистилляции воды, составляет менее 380 ккал/л.
15. Усовершенствованный способ дистилляции исходной воды, в котором осуществляют кипение исходной воды для получения водяного пара, и водяной пар конденсируют в конденсаторе за счет теплообмена с исходной водой, при этом усовершенствование включает в себя погружение трубок конденсатора в исходную воду и барботирование погруженных трубок конденсатора воздухом для повышения теплопередачи и поглощения дополнительного пара воды, который конденсируется вместе с водяным паром.
16. Способ по п.15, в котором усовершенствование включает в себя выполнение конденсатора и барботирование достаточного воздуха для обеспечения энергии для дистилляции, по меньшей мере, равной 380 ккал/л.
17. Способ по п.15, в котором усовершенствование далее включает в себя выполнение конденсатора в виде спирального трубчатого конденсатора.
