Обратноосмотическая установка
Изобретение относится к более широкой группе струйных аппаратов, осуществляющих эжекционный принцип действия, и может быть использовано практически во всех областях техники. Заявленное устройство включает мембранные элементы, соединенные на входе с линией входа воды на очистку, которая включает манометр, картриджный фильтр, реле давления, манометр, датчик электропроводности, электромагнитный клапан, струйный насос, обратный клапан, электронасос, реле давления, манометр и вентиль, соединенные между собой трубопроводами и разделяющие исходный раствор на пермеат и концентрат, который, в свою очередь, является исходной жидкостью для мембранного элемента, а концентрат на выходе из мембранного элемента является исходной жидкостью для мембранного элемента. Линия концентрата включает манометр, вентиль и разделяется на три трубопровода, один из которых включает вентиль, ротаметр, обратный клапан и соединяется с патрубком активной среды струйного насоса. Второй трубопровод включает вентиль, ротаметр, третий трубопровод с электромагнитным клапаном и соединяется со вторым трубопроводом, вместе составляя линию выхода концентрата. Линия пермеата включает вентиль, обратный клапан, датчик электропроводности и ротаметр. Технический результат заключается в увеличении производительности установки обратного осмоса и повышении ее энергоэффективности, за счет возможности выбора насоса высокого давления с меньшим энергопотреблением. 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к более широкой группе струйных аппаратов, осуществляющих эжекционный принцип действия, и может быть использовано практически во всех областях техники.
Уровень техники
Несмотря на то, что вода покрывает около 71 % поверхности Земли, она является ценным продуктом, так как только 0,03 % водных запасов Земли могут быть использованы человеком. Рост населения планеты и увеличение объемов промышленного производства привели к постоянному росту спроса на воду. По данным ООН, нехватка воды является одной из основных проблем, стоящих перед миром сегодня и завтра. Очевидно, расход воды необходимо минимизировать, а возвращать в окружающую среду следует максимально очищенную воду, поскольку она имеет ограниченную способность к самоочищению. Процесс очистки сточных вод на современном этапе развития промышленности весьма важен [1]. За последние два десятилетия в мире были предприняты крупномасштабные экологические инициативы, которые привели к строгому экологическому регулированию промышленных сбросов предприятий. Значительно увеличились инвестиции в чистые технологии и в более эффективные методы очистки.
На сегодняшний день существует несколько способов снижения энергозатрат на обратный осмос.
Один из них предлагает компания Danfoss [2]. Процесс прокачки большого количества морской воды через опреснительные мембраны является очень энергоемким. Однако в последние годы растущее внимание к изменению климата и энергоэффективности выдвинуло на передний план новые насосные решения, в частности использование поршневых насосов с устройствами рекуперации энергии и приводами переменного тока.
За последние десять лет число установок Sea Water Reverse Osmosis (SWRO), использующих поршневые насосы с рекуперацией энергии и приводом переменного тока, значительно выросло. Данные насосы доказали, что превосходят традиционные центробежные насосы по большинству эксплуатационных параметров, возвращая значения КПД до 92 % и экономию энергии до 65 %.
Тенденция к модульности на средних и крупных установках SWRO способствует внедрению параллельно соединенных цепей поршневых насосов с рекуперацией энергии и приводом переменного тока.
Гибкая настройка с несколькими насосами, работающими параллельно, обеспечивает ряд преимуществ. Например, производительность системы может непрерывно регулироваться в соответствии с потребностью в воде в любой момент времени для экономии энергии. Если один из насосов выходит на техническое обслуживание, остальные насосы автоматически берут на себя полную работу, продолжая работать на полную мощность 24 / 7 / 365. Кроме того, расход на одном насосе можно регулировать, не влияя на другие насосы. Это означает, что привод переменного тока может быть рассчитан (может быть использован) только на один насос, в то время как остальные насосы работают непосредственно в режиме online.
Простая конфигурация с параллельно соединенными поршневыми насосами экономит деньги на приводе переменного тока и обеспечивает значительную экономию энергии во время работы.
Комбинируя насосы высокого давления, приводы переменного тока, устройства рекуперации энергии и датчики давления, Danfoss предлагает решения для обессоливания, которые обеспечивают экономию энергии на 65 % по сравнению с установками, работающими с центробежными насосами без рекуперации энергии и привода переменного тока.
Преимущества использования нескольких параллельно соединенных насосных агрегатов:
1. Высокое время безотказной работы и бесперебойная работа, даже когда один или несколько насосов выходят на техническое обслуживание.
2. Один небольшой резервный насос дешевле, чем один большой резервный насос.
3. Простое и энергоэффективное управление потоком.
Еще один способ снижения энергозатрат на обратный осмос - установка турбины Пелтона на линии концентрата. Но на сегодняшний день этот метод считается устаревшим и мало где используется.
Однако рассмотренные выше способы рекуперации энергии работают только на крупных установках применительно к опреснению морской воды.
Известна установка, содержащая нагнетательный насос, мембранный аппарат, разделяющий исходный раствор на концентрат и пермеат, регулирующий вентиль на линии концентрата и емкость для сбора пермеата, соединенную патрубком пассивной среды с вакуумирующим устройством в виде струйного насоса, размещенного на трубопроводе отвода концентрата, а также трубопроводы, соединяющие перечисленные элементы установки (SU 1528527, МПК В01D 13/00, опубл. 15.12.1989).
Известна мембранная установка, содержащая нагнетательный насос, обратноосмотический блок, разделяющий исходный раствор на концентрат и пермеат, дросселирующее устройство в виде регулирующего клапана на выходе аппарата на линии концентрата, соединенное с емкостью сбора концентрата, причем на входе нагнетательного насоса установлен насос-дозатор, соединенный с емкостью сбора концентрата (Карелин Ф. Н. Обессоливание воды обратным осмосом. М. : Стройиздат, 1988, с. 114, рис. 5.2).
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, при использовании заявленного изобретения, заключается в увеличении производительности установки обратного осмоса и повышении ее энергоэффективности, за счет возможности выбора насоса высокого давления, с меньшим энергопотреблением.
Сущность изобретения заключается в том, что заявленное устройство включает мембранные элементы, соединенные на входе с линией входа воды на очистку, которая включает манометр, картриджный фильтр, реле давления, манометр, датчик электропроводности, электромагнитный клапан, струйный насос, обратный клапан, электронасос, реле давления, манометр и вентиль, соединенные между собой трубопроводами и разделяющие исходный раствор на пермеат и концентрат, который, в свою очередь, является исходной жидкостью для мембранного элемента, а концентрат на выходе из мембранного элемента, является исходной жидкостью для мембранного элемента. Линия концентрата включает манометр, вентиль и разделяется на три трубопровода, один из которых включает вентиль, ротаметр, обратный клапан и соединяется с патрубком активной среды струйного насоса. Второй трубопровод включает вентиль, ротаметр, третий трубопровод с электромагнитным клапаном и соединяется со вторым трубопроводом, вместе составляя линию выхода концентрата. Линия пермеата включает вентиль, обратный клапан, датчик электропроводности и ротаметр.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена гидравлическая схема обратноосмотической установки, где
1, 2, 3, 4, 5 - краны, вентили;
6, 7, 8, 9 - манометры;
10 - электронасос;
11, 12, 13 - ротаметры;
14 - струйный насос;
15, 16 - электромагнитные клапаны;
17, 18 - реле давления;
19, 20 - датчики электропроводности;
21 - картриджный фильтр;
22, 23, 24, 25 - мембранные элементы;
26, 27, 28 - обратные клапаны.
На фиг. 2 представлены исходные данные для расчета струйного насоса.
На фиг. 3 представлена схема струйного насоса.
На фиг. 4 показана огибающая безразмерная характеристика струйных насосов с цилиндрическими камерами смешения.
Осуществление изобретения
Обратноосмотическая установка (фиг. 1) включает краны и вентили 1, 2, 3, 4, 5, четыре манометра 6, 7, 8, 9, электронасос 10, три ротаметра 11, 12, 13, струйный насос 14, два электромагнитных клапана 15, 16, два реле давления 17, 18, два датчика электропроводности 19, 20, картриджный фильтр 21, четыре обратноосмотических элемента 22, 23, 24, 25, три обратных клапана 26, 27, 28.
Заявленное устройство включает мембранные элементы 22 и 23, соединенные на входе с линией входа воды на очистку, которая включает манометр 6, картриджный фильтр 21, реле давления 17, манометр 7, датчик электропроводности 19, электромагнитный клапан 15, струйный насос 14, обратный клапан 28, электронасос 10, реле давления 18, манометр 8 и вентиль 3, соединенные между собой трубопроводами и разделяющие исходный раствор на пермеат и концентрат, который, в свою очередь, является исходной жидкостью для мембранного элемента 24, а концентрат на выходе из мембранного элемента 24, является исходной жидкостью для мембранного элемента 25. Линия концентрата включает манометр 9, вентиль 4 и разделяется на три трубопровода, один из которых включает вентиль 1, ротаметр 11, обратный клапан 26 и соединяется с патрубком активной среды струйного насоса 14. Второй трубопровод включает вентиль 2, ротаметр 12, третий трубопровод с электромагнитным клапаном 16 и соединяется со вторым трубопроводом, вместе составляя линию выхода концентрата. Линия пермеата включает вентиль 5, обратный клапан 27, датчик электропроводности 20 и ротаметр 13.
Рассмотрена целесообразность рекуперации энергии на малой установке с слабосоленой водой, гидравлическая схема которой приведена на фиг. 1, а исходные данные для расчета представлены на фиг. 2.
Мощность, которую теряют на местные сопротивления при сбросе в дренаж (для установки производительностью 0,8 м3/ч по пермеату (очищенной воде)) рассчитывают по формуле:
Перепад давления рассчитывают по формуле:
Мощность, которую теряют на рецикле для той же установки рассчитывают по формуле:
Расчет струйного насоса (фиг. 3):
- поток полезной подачи;
- рабочий поток;
- давление в сечении a - a;
- давление в сечении b - b;
- давление в сечении c - c;
- скорость в сечении a - a;
- скорость в сечении b - b;
- скорость в сечении c - c;
- ускорение свободного падения.
Режим работы струйного насоса характеризует четыре приведенных на фиг. 3 параметра (в данном случае плотности смешиваемых потоков одинаковы, то есть 
) [3]:
1) рабочий напор, затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение b - b) и на выходе из него (сечение c - c)
2) полезный напор, создаваемый насосом и равный разности напоров подаваемой жидкости за насосом (сечение c - c) и перед ним (сечение a - a)
3) расход рабочей жидкости
где 
- скорость в рабочей струе;
- площадь поперечного сечения рабочего сопла;
- диаметр рабочего сопла.
4) полезная подача
где 
- скорость на входе в камеру смешения;
- площадь поперечного сечения камеры смешения;
- диаметр камеры смешения.
КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной:
Характеристика струйного насоса описывает его работу на переменных режимах. Ее получают обычно при условии 
, близком к типичному случаю эксплуатации насосов. Более удобно характеристику струйного насоса представлять в относительной безразмерной форме (фиг. 3).
1) относительный напор:
2) относительный расход:
3) коэффициент расхода рабочего сопла:
Выражение для КПД имеет вид:
Размеры проточной части в относительной форме характеризуются относительной площадью:
Камера смешения цилиндрическая, поэтому 
.
Скорость в рабочей струе:
Переменный коэффициент расхода рабочего сопла:
Рекомендуется применять диффузоры с углами раскрытия 6-8°. Рабочее сопло и кольцевое входное сопло камеры смешения выполняют обычно в виде плавно сходящихся коноидальных насадок. Кромку рабочего сопла делают по возможности тонкой с относом 
от начала камеры на 
. При соблюдении этих рекомендаций можно принимать коэффициент сопротивления рабочего сопла 
и коэффициент сопротивления кольцевого подвода 
.
Расчет:
1. находят значение относительного расхода:
2. по огибающей, изображенной на фиг. 4, находят значение относительного напора:
3. из формулы относительного напора выражают полезный напор:
следовательно,
4. находят значение рабочего напора:
следовательно,
1. находят значение полезного напора:
2. по графику 
находим размер проточной части:
3. по графику 
находим отношение длины камеры смешения к диаметру камеры смешения:
4. находят значение коэффициента расхода рабочего сопла:
5. находят скорость в рабочей струе:
6. находят диаметр рабочего сопла:
следовательно,
7. находят диаметр камеры смешения:
следовательно,
8. находят длину камеры смешения:
следовательно,
9. находят давление на выходе из насоса:
следовательно,
10. находят КПД насоса:
По сравнению с известным решением заявленное изобретение позволяет увеличить производительность малых обратноосмотических установок, работающих на слабосоленой воде, и повысить их энергоэффективность, за счет возможности выбора насоса высокого давления, с меньшим энергопотреблением.
Источники информации
1. Gamper-Rabindran S., Finger S. R. Does industry self-regulation reduce pollution? Responsible Care in the chemical industry // Journal of Regulatory Economics. - 2013. - T. 43, № 1. - C. 1-30.
2. Электронный ресурс: Creating a Sustainable Future with Seawater https://www.danfoss.com/en/products/hpp/energy-recovery-devices/energy-recovery-device-for-small-to-medium-swro-applications/#tab-overview (Дата обращения: 12.12.2021).
3. Башта Т. М., Руднев С. С., Некрасов Б. Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов. - 4-е изд., стереотипное, перепечатка со второго издания 1982 г. - М: «Издательский дом Альянс», 2010. - 423 с.: ил.
Обратноосмотическая установка, включающая мембранные элементы, соединенные на входе с линией входа воды на очистку, которая включает манометр, картриджный фильтр, реле давления, манометр, датчик электропроводности, электромагнитный клапан, струйный насос, обратный клапан, электронасос, реле давления, манометр и вентиль, соединенные между собой трубопроводами и разделяющие исходный раствор на пермеат и концентрат, который, в свою очередь, является исходной жидкостью для мембранного элемента, а концентрат на выходе из мембранного элемента является исходной жидкостью для мембранного элемента, причем линия концентрата включает манометр, вентиль и разделяется на три трубопровода, один из которых включает вентиль, ротаметр, обратный клапан и соединяется с патрубком активной среды струйного насоса, второй трубопровод включает вентиль, ротаметр, третий трубопровод с электромагнитным клапаном и соединяется со вторым трубопроводом, вместе составляя линию выхода концентрата, а линия пермеата включает вентиль, обратный клапан, датчик электропроводности и ротаметр.
