Способ и устройство для получения чистой жидкостииз исходной жидкости - RU2336924C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу получения чистой жидкости из исходной жидкости, в частности для получения пресной воды из соленой воды, посредством происходящего под разрежением в испарительном устройстве испарения исходной жидкости и конденсации пара в конденсационном устройстве, соединенном с выходом пара испарительного устройства.

Изобретение относится далее к устройству для осуществления способа, содержащему, по меньшей мере, одно испарительное устройство, питаемое исходной жидкостью, и, по меньшей мере, одно конденсационное устройство, нагружаемое через соединительный трубопровод паром, по меньшей мере, из одного установленного перед ним испарительного устройства.

Способ и устройство этого рода известны из DE 3345937 А1. При этом соединительный трубопровод между испарительным и конденсационным устройствами выполнен неперекрываемым. Для создания желаемого разрежения испарительное устройство соединено, по меньшей мере, с одним заполненным исходной жидкостью, расположенным, по меньшей мере, на высоте создаваемого давлением окружающего воздуха водяного столба выше зеркала воды резервуаром, который снабжен погруженным в зеркало воды перекрываемым спускным трубопроводом. При открывании спускного трубопровода жидкость выливается, в результате чего при нарушенной вентиляции испарительного устройства в нем создается разрежение, которое здесь через незакрытый соединительный трубопровод пробивается в конденсационное устройство. Вследствие необходимого высокого положения резервуара и погружения нижнего конца спускного трубопровода в имеющееся зеркало воды возникают сравнительно большая конструктивная высота и сравнительно высокие конструктивные затраты. Однако достигаемое разрежение из-за имеющегося соединения между испарительным и конденсационным устройствами сравнительно мало. К тому же в жидкости, в которую погружен спускной трубопровод, могут находиться образовавшиеся за счет выделения газа и т.п. газовые пузырьки, которые скапливаются на нижнем конце спускного трубопровода и могут подниматься по нему, что может привести к дальнейшему уменьшению разрежения.

Исходя из этого, задача изобретения состоит в создании способа и устройства, описанного выше рода, которые обеспечивали бы высокую испарительную мощность при низкой точке кипения и, тем самым, высокую экономичность.

Эта задача решается в отношении родового способа посредством признаков отличительной части пункта 1, а в отношении родового устройства - посредством признаков отличительной части пункта 8 формулы изобретения.

Благодаря предлагаемому изобретению обеспечиваются предпочтительным образом высокая степень разрежения и, тем самым, высокая испарительная мощность при сравнительно низких температурах, которые могут быть достигнуты предпочтительным образом с помощью простых солнечных коллекторов и т.п. Предпочтительным образом изобретение может быть реализовано также в рамках очень компактного и в соответствии с этим удобного в обслуживании устройства. С помощью признаков изобретения поставленная выше задача решается поэтому крайне простым и дешевым образом.

Предпочтительные варианты и целесообразные усовершенствования предлагаемого изобретения приведены в зависимых пунктах. Так, испарительное устройство целесообразно состоит из нагревателя и установленного за ним сепаратора. Это обеспечивает непосредственный или косвенный нагрев испаряемой исходной воды вне сепаратора и поэтому высокую конструктивную свободу.

Другой предпочтительный вариант повышения мощности состоит в том, что конденсационное устройство в конденсационном режиме охлаждают. Возникающее в этой связи тепло можно предпочтительным образом использовать для подогрева испаряемой исходной воды.

Другой особенно предпочтительный вариант состоит в том, что возбуждают вибрирующие движения конденсационного устройства в конденсационном режиме. Это предотвращает образование на стороне конденсата конденсационного устройства водяных капель, которые могут ухудшить теплопередачу и, тем самым, конденсацию. Напротив, за счет вибрирующих движений достигается быстрое отекание капель и на стороне конденсата образуется лишь очень тонкая водяная пленка.

Согласно другому предпочтительному усовершенствованию идущий от испарительного устройства пар посредством инжекционного устройства закачивают в конденсационное устройство. Благодаря этому повышается давление внутри конденсационного устройства, что также благоприятно сказывается на ускорении процесса конденсации.

Другие предпочтительные варианты и целесообразные усовершенствования описанных мер приведены в остальных зависимых пунктах и более подробно поясняются в нижеследующем описании примера с помощью чертежей.

На описанных ниже чертежах изображают:

- фиг.1 - функциональную схему опреснительной установки с одним испарительным и одним конденсационным устройствами;

- фиг.2 - функциональную схему опреснительной установки с несколькими испарительными и конденсационными устройствами;

- фиг.3 - разрез приданного конденсационному устройству инжекционного устройства;

- фиг.4 - вид сбоку выполненного с возможностью вибрации конденсатора.

Основной областью применения изобретения является обессоливание морской воды, т.е. получение пресной воды из соленой воды. Поэтому целесообразно располагать установку согласно изобретению на берегу моря, из которого необходимая соленая вода может извлекаться практически в неограниченном количестве.

Установки данного рода содержат испарительную и конденсаторную секции. На фиг.1 показана штрихпунктирная разделительная линия А, причем справа от этой разделительной линии находится испарительная секция, а слева - конденсаторная. Испарительная секция содержит выполненный в виде открытой сверху ванны резервуар 1 для исходной воды, питаемый посредством насоса 2 морской водой. Ниже под резервуаром 1 для исходной воды расположен цилиндропоршневой агрегат 3, содержащий расположенный в цилиндре поршень 4, соединенный штоком 5 с поршнем совершающего такой же ход приводимого в действие гидравлически или преимущественно пневматически цилиндропоршневого агрегата 7, присоединенного к подходящему источнику энергии (не показан), здесь в виде источника масла под давлением, с возможностью управления посредством управляющей задвижки 8. Цилиндропоршневой агрегат 3 имеет ограниченную поршнем 4 рабочую камеру 9, увеличиваемую или уменьшаемую за счет движения поршня 4 внутри приданного ему цилиндра.

По уровню выше цилиндропоршневого агрегата 3 находится испарительное устройство 10. Оно содержит нагреватель 11 и установленный за ним сепаратор 12. Нагреватель 11 выполнен в изображенном примере в виде солнечного коллектора, так что практически происходит непосредственный нагрев солнечной энергией. Можно также встроить нагреватель 11 в теплообменник и нагревать с помощью вторичного нагревательного контура, как это показано, например, справа на фиг.2. Сепаратор 12, в котором происходит разделение воды и пара, находится по уровню выше нагревателя 11, однако ниже резервуара 1. Испарительное устройство 10 с нагревателем 11, сепаратором 12 и рабочей камерой 9 цилиндропоршневого агрегата образуют объединенную, перекрываемую наружу систему сосудов. Для этого рабочая камера 9 соединена трубопроводами с нижней стороной нагревателя 11, его верхняя сторона - с сепаратором 12, соединенным с рабочей камерой 9. Ведущий от сепаратора 12 к рабочей камере 9 трубопровод отходит от дна сепаратора 12. Ведущий от нагревателя 11 к сепаратору 12 трубопровод заканчивается в верхней части сепаратора 12.

От резервуара 1 к нижней стороне рабочей камеры 9 ведет перекрываемый клапанным устройством загрузочный трубопровод 13. В изображенном примере клапанное устройство 2, присоединенное к загрузочному трубопроводу 13, содержит параллельные ветви с клапаном 14 или 15 соответственно, один из которых, здесь клапан 15, выполнен с возможностью управления посредством регулятора 16 уровня, присоединенного к сепаратору 12. От нижней части загрузочного трубопровода 13 отходит перекрываемый клапаном 17 опорожняющий патрубок 13а. От верхней части сепаратора 12 отходит перекрываемый клапаном 18 воздухоотводящий патрубок 19.

Конденсаторная секция содержит расположенный на том же уровне, что и резервуар 1 для исходной воды, резервуар 20 для чистой воды, заполняемый чистой водой по перекрываемому клапаном 21, соединенному с источником чистой воды приточному трубопроводу 22. По уровню ниже резервуара 20 для чистой воды находится конденсационное устройство 23, содержащее здесь трубчатый конденсатор 24. Выше трубчатого конденсатора 24 находится цилиндропоршневой агрегат 25, поршень 26 которого ограничивает рабочую камеру 27 и соединен штоком 28 с поршнем 29 совершающего такой же ход, приводимого в действие преимущественно, как и цилиндропоршневой агрегат 7, цилиндропоршневого агрегата 30, который может быть соединен с тем же источником среды под давлением, что и цилиндропоршневой агрегат 7, с возможностью управления посредством управляющей задвижки 31.

От резервуара 20 для чистой воды к нижней части рабочей камеры 27 отходит загрузочный трубопровод 32. Загрузочный трубопровод 32 выполнен с возможностью перекрывания клапаном 33. От загрузочного трубопровода 32 отходит перекрываемый клапаном 34 опорожняющий патрубок 32а. От входа трубчатого конденсатора 24 отходит перекрываемый клапаном 35 воздухоотводящий патрубок 36. Вход конденсатора 24 через разгрузочный трубопровод 37, в котором находится обратный клапан 38, соединен с резервуаром 20 для чистой воды. Обратный клапан 38 выполнен с возможностью открывания в направлении резервуара 20 для чистой воды.

Конденсатор 24 и рабочая камера 27 цилиндропоршневого агрегата 25 образуют объединенную, перекрываемую наружу систему сосудов. Для этого рабочая камера 27 присоединена к нижней стороне конденсатора 24. Достигаемое за счет движения поршня 26, здесь вправо, максимальное увеличение объема рабочей камеры 27 целесообразно больше вместимости конденсатора 24 в конденсаторной секции.

К конденсатору 24 присоединено охлаждающее устройство. Оно содержит в изображенном примере выполнения распиливающее устройство 39, воздействующее на внешнюю сторону нагруженного паром на своей внутренней стороне конденсатора 24 и питаемое посредством насоса 40 охлаждающей водой, преимущественно исходной водой. Для этого к насосу 40 для охлаждающей воды присоединен резервуар 41 для охлаждающей воды, питаемый через отходящий от резервуара 1 питающий трубопровод исходной водой. Стекающую с конденсатора 24 охлаждающую воду улавливают посредством охватывающей конденсатор 24 снизу ванны 42, от которой к резервуару 41 для охлаждающей воды ведет обратный трубопровод.

Вход пара конденсатора 24 соединен с инжекционным устройством 43, которое подробно описано ниже в связи с фиг.3. Это инжекционное устройство содержит трубку Вентури, питаемую чистой водой. К инжекционному устройству 43 присоединен поэтому питающий трубопровод 44, снабженный расположенным со стороны всасывания у рабочей камеры 27 насосом 45. За счет инжекционного устройства 43 внутри конденсатора 24 достигается повышение давления, что улучшает конденсационный эффект.

Для дальнейшего улучшения конденсационного эффекта конденсатор 24 может быть выполнен в виде виброконденсатора, возбуждаемого посредством генератора 46 колебаний к совершению в конденсационном режиме вибрирующих движении, о чем более подробно говорится ниже в связи с фиг.4.

Испарительная и конденсаторная секции связаны между собой соединительным трубопроводом 47, отходящим от выхода сепаратора 12 и ведущим ко входу конденсатора 24. Соединительный трубопровод 47 выполнен с возможностью перекрывания клапаном 48. Он выполнен с возможностью управления целесообразно посредством управляющего устройства, преимущественно в виде так называемого SPS (управление по заданной программе). Это относится и к клапанам 15, 17, 33. Другие клапаны могут быть выполнены целесообразно в виде приводимых в действие вручную клапанов.

Для пуска установки сначала резервуар 1 для исходной воды заполняют посредством приданного ему насоса 2 морской водой. К переливу резервуара 1 присоединен резервуар 41 для охлаждающей воды. Все клапаны закрыты, открывают только ручной воздуховыпускной клапан 18. Поршень 4 цилиндропоршневого агрегата 3 находится в своем соответствующем минимальному объему рабочей камеры 9, здесь левом, конечном положении, как это показано на фиг.1. Открывая ручной клапан 14, заполняют испарительную секцию, пока исходная вода не выйдет из воздуховыпускного патрубка 19. Как только это произойдет, клапаны 18 и 14 закрывают.

В области конденсаторной секции все автоматические и ручные клапаны сначала закрыты. Прежде всего, открывая клапан 21, резервуар 20 примерно на 1/3 заполняют подводимой снаружи чистой водой. Затем клапан 21 снова закрывают. После этого открывают воздуховыпускной клапан 35. Поршень 26 цилиндропоршневого агрегата 25 находится в своем соответствующем минимальному объему рабочей камеры 27, здесь левом, конечном положении. Открывая расположенный в загрузочном трубопроводе 32 клапан 33, заполняют всю конденсаторную систему, пока вода не выйдет из воздуховыпускного патрубка 36. Как только это произойдет, клапаны 35 и 33 закрывают.

За счет активирования цилиндропоршневых агрегатов 7, 30 путем соответствующего управления или приведения в действие соответствующих управляющих задвижек 8, 31 поршни 4, 26 цилиндропоршневых агрегатов 3, 25 перемещаются в конечное положение, противоположное показанному на фиг.1 конечному положению, в результате чего ограниченные поршнями 4, 26 рабочие камеры 9, 27 увеличиваются до своего максимального объема. При этом уровень жидкости в сепараторе 12 понижается в испарительной секции до показанного рабочего уровня. Достигаемое движением поршня 4 увеличение объема соответственно меньше общей вместимости сепаратора 12. В конденсаторной секции уровень жидкости понижается ниже середины соответствующего цилиндропоршневого агрегата 25. Достигаемое движением поршня 26 цилиндропоршневого агрегата 25 увеличение объема соответственно больше внутренней, т.е. со стороны конденсата, вместимости конденсатора 24. В последнем случае названное увеличение объема соответствует более чем двойной вместимости конденсатора 24.

Системы сосудов, содержащие соответственно рабочую камеру 9 и испарительное устройство 10 и рабочую камеру 27 и конденсатор 24, герметично закрыты наружу. За счет увеличения объема рабочих камер 9, 27 в этих герметично закрытых наружу системах сосудов возникает почти полный вакуум или, во всяком случае, очень сильное разрежение. Это приводит к тому, что вода во всей системе закипает уже при сравнительно низких температурах.

Подведенная к испарителю 11 нагревательная энергия, здесь непосредственно подведенная солнечная энергия, поддерживает этот процесс кипения. В конденсаторной секции за счет включения насоса 40 приводится в действие охлаждающее устройство. В то же время за счет включения насоса 45 приводится в действие инжекционное устройство 43. При открытии расположенного в соединительном трубопроводе 47 клапана 48 пар течет из сепаратора 12 в конденсатор 24. Инжекционное устройство 43 вызывает при этом повышение давления, которое обеспечивает конденсацию при более высокой температуре и, тем самым, повышает разность между температурой конденсации и температурой на внешней стороне конденсатора. Охлаждающее устройство, выполненное в изображенном примере в виде питаемого исходной водой распиливающего устройства 39, достигает поэтому очень высокого кпд, что еще больше повышает конденсационную мощность.

Испаряющуюся на внешней стороне конденсатора 24 воду непрерывно доливают из перелива от резервуара 1 для исходной воды к резервуару 41 для охлаждающей воды. Для дальнейшего повышения мощности конденсатору 24 могла бы быть придана воздуходувка, чем достигался бы эффект градирни.

Во избежание концентрации соли в резервуаре 41 для охлаждающей воды идущий от резервуара 1 для исходной воды перелив направляют непосредственно в зону стороны всасывания насоса 40. За счет этого в сливе охлаждающего контура в идущий от резервуара 41 для охлаждающей воды перелив будет течь столько же незначительно концентрированной соленой воды, сколько воды доливается из резервуара 1 для исходной воды.

Для дальнейшего повышения мощности конденсатора 24 может быть приведен в действие генератор 46 колебаний. Он выполнен с возможностью возбуждать в присоединенном конденсаторе 24 колебания в частотном диапазоне от 5 до 20000 Гц. За счет этого сильно повышается эффективность конденсатора 24.

Уровень кипящей воды в сепараторе 12 поддерживают постоянным за счет автоматического долива из резервуара 1 для исходной воды. Для этого служит присоединенный к сепаратору 12 регулятор 16 уровня, посредством которого приводят в действие расположенный в загрузочном трубопроводе 13 клапан 15.

За счет продолжающейся конденсации в конденсаторе 24 уровень жидкости непрерывно повышается в конденсаторной секции. Когда этот уровень достигает нижней стены конденсатора 24, подаваемый подходящим реле уровня сигнал вызывает закрывание расположенного в соединительном трубопроводе 47 клапана 48 и переключение управляющей задвижки 31, в результате чего поршень 26 цилиндропоршневого агрегата 25 движется в направлении уменьшения рабочей камеры 27. За счет этого скопившаяся конденсированная и, тем самым, обессоленная вода через снабженный обратньм клапаном 38 разгрузочный трубопровод 37 вытесняется в резервуар 20 для чистой воды. По достижении минимального объема рабочей камеры 27 управляющая задвижка 31 автоматически переключается, в результате чего поршень 26 снова движется в другом направлении и снова создается глубокий вакуум. Затем клапан 48 в соединительном трубопроводе 47 может быть снова открыт, в результате чего может начинаться новый цикл. Также в испарительной секции вакуум может быть освежен за счет приведения в действие цилиндропоршневого агрегата 3 при закрытой соответствующей системе сосудов, как это описано выше.

Устройство на фиг.2 отличается от устройства на фиг.1 лишь тем, что предусмотрены два испарительных 10а, 10b и два конденсационных 23а, 23b устройства. Испарительное устройство 10а соединено посредством соединительного трубопровода 47а с клапаном 48а с конденсационным устройством 23а. Испарительное устройство 10b соединено посредством соединительного трубопровода 47b с клапаном 48b с конденсационным устройством 23b. К каждому испарительному и каждому конденсационному устройствам присоединено по одному цилиндропоршневому агрегату 3а, 3b и 25а, 25b соответственно. Особенность по сравнению с фиг.1 состоит в том, что нагреватель 11а испарительного устройства 10а нагревается не непосредственно, а, как уже говорилось выше, косвенно. Для этого предусмотрен теплообменник 50, одна сторона которого образует нагреватель 11а испарительного устройства 10а, а другая сторона лежит во вторичном нагревательном контуре 51, проходящем через солнечный коллектор 52. Нагреватель 11b испарительного устройства 10b и конденсатор конденсационного устройства 23а также образуют теплообменник 53, за счет которого теплота конденсации конденсационного устройства 23а используется одновременно для нагрева протекающей через нагреватель 11b исходной воды. Целесообразно теплообменники 50, 53 могут быть выполнены в виде пластинчатых теплообменников.

К входу пара конденсационных устройств может быть присоединено соответствующее, как уже сказано выше, инжекционное устройство 43. Пример изображен на фиг.3. Изображенное здесь инжекционное устройство 43 содержит трубку Вентури 55, которая снабжена сужением и во внутреннее пространство которой вводят струю чистой воды. Для этого присоединенный к инжекционному устройству 43 питающий трубопровод 44 снабжен в зоне упомянутого сужения струйным соплом 56. Трубка Вентури 55 снабжена в зоне сужения радиальными отверстиями 57, которые образуют связь с окружающим кольцевым пространством 58, сообщенным с соединительным трубопроводом 47. За счет образованной соплом 56 струи чистой воды создают разрежение, посредством которого пар из кольцевого пространства 58 через радиальные отверстия 57 втягивается внутрь и вдавливается в соответствующий конденсатор 24, представляющий собой в изображенном примере трубчатый конденсатор, нагружаемый изнутри паром и охлаждаемый снаружи воздухом или дополнительным охлаждающим средством.

Особенно высокая мощность конденсатора достигается, как уже говорилось выше, за счет того, что в конденсаторе в конденсационном режиме посредством генератора 46 колебаний возбуждают вибрирующие движения. Это препятствует образованию на внутренней стороне трубок конденсатора и т.п. водяных капель, которые ухудшили бы конденсацию.

На фиг.4 изображен конденсатор 24, в котором могут быть возбуждены вибрирующие движения. Для этого конденсатор 24, с одной стороны, установлен с возможностью качания, а с другой стороны, соединен с генератором 46 колебаний. В изображенном примере конденсатор 24 в зоне своего верхнего конца подвешен на неподвижном опорном кронштейне 60 с возможностью качания вокруг горизонтальной оси 59, а в зоне своего нижнего конца соединен с неподвижно расположенным генератором 46 колебаний, которому придана возвратная пружина 61. Конденсатор 24 с входной и выходной сторон снабжен гибкими присоединениями 62 с возможностью соединения ими с неподвижными трубопроводами.

Частота создаваемых генератором 46 колебаний может лежать в диапазоне от 5 до 20000 Гц. Оптимальная частота должна быть определена в каждом конкретном случае опытным путем. При благоприятном выборе частоты эффективность конденсатора может быть повышена на 60%. Причину следует искать в том, что за счет вибрирующих движений осаждающаяся на внутренней стороне трубок конденсатора вода перед образованием крупных капель стекает, в результате чего нарушается вызванная водой изоляция и, тем самым, улучшается теплопередача через трубки конденсатора.

Реферат

Изобретение относится к получению чистой жидкости из исходной жидкости, в частности для получения пресной воды из соленой воды. Способ получения пресной воды из соленой воды и т.п. осуществляют посредством происходящего под разрежением в испарительном устройстве (10) испарения исходной жидкости и конденсации пара в конденсационном устройстве (23), соединенном с паровым выходом испарительного устройства (10). Испарительное (10) и конденсационное (23) устройства в отделенном друг от друга состоянии заполняют соответственно исходной и чистой жидкостями. Затем в герметично закрытых системах, содержащих рабочую камеру (9) и испарительное устройство (10) и, соответственно, рабочую камеру (27) и конденсационное устройство (23), за счет увеличения объема рабочих камер создают разрежение. При этом испарительное (10) и конденсационное (23) устройства гидравлически соединяют между собой только в находящемся под разрежением состоянии. За счет этого можно достичь высокой испарительной мощности и экономичности. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула