EA005392B1 - Устройство для регенерации сточных и минерализованных вод - Google Patents

Abstract

Представленное устройство (30) регенерации сточных и минерализованных вод включает ряд концентрических тонкостенных кожухов, внешний кожух (40), промежуточный кожух (32) и внутренний кожух (34). Кожухи установлены внутри корпуса (50), в котором может поддерживаться вакуум или низкое давление. Кожухи вращаются с высокой скоростью. Загрязненная жидкость с внешней стороны корпуса вводится в промежуток между двумя смежными кожухами. Центробежная сила заставляет жидкость растекаться тонким (пленочным) слоем по внутренней лицевой поверхности кожуха. Компрессор (220) понижает давление, вследствие чего тонкая пленка жидкости начинает кипеть. Под воздействием компрессора пар переносится к другой стенке тех кожухов, которые имеют слегка повышенную температуру. Здесь пар соприкасается со стенкой, которая является охладителем, поскольку его собственное тепло было перенесено для нагрева загрязненной жидкости. Пар конденсируется, а вращение отбрасывает конденсат к противоположной смежной стенке, где он собирается. Выделяемая в ходе процесса теплота конденсации переносится к кожуху для нагрева поступающей загрязненной жидкости. Для завершения течения цикла от парообразования до конденсации устройство (30) не нуждается в других источниках тепла, чем энергия сжатия пара.

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам и процессам регенерации сточных и минерализованных вод с использованием чрезвычайно эффективного цикла «сжатие/вакуум» для дистилляции пара. Несмотря на то, что такие устройства и процессы имеют самое широкое применение для регенерации сточных и минерализованных вод, они могут также использоваться для регенерации других жидкостей или для удаления из них токсических отходов.

2. Уровень техники.

Конденсация является общеизвестным методом, используемым для удаления нежелательных субстанций из загрязненных водоисточников или для удаления солей из морской воды. Процесс происходит в результате избирательного фазового перехода (превращения) между различной упругостью пара загрязнителя (контаминант) и водяным паром. Фазовый переход при испарении воды - это процесс, под воздействием которого дождевая вода непрерывно повторяет этот цикл (испарение-конденсация), с тех пор как вода впервые появилась на Земле. Поверхностные воды Земли являются открытыми системами. Следовательно, баланс различной упругости водяного пара между водными объектами, атмосферой и, воздействующего на водные объекты, тепловым потоком солнечной радиации, влияет на количество парообразования.

Конденсация является замедленной при нормальном атмосферном давлении, до тех пор, пока тепловой поток не нагревает воду до точки ее кипения (212°Е (100°С) на уровне моря), (перевод в метрические единицы - является приближенным). В связи с этим, для осуществления процесса конденсации воды при атмосферных давлениях, тепловую энергию необходимо повысить от окружающей температуры до 212°Е (100°С). При этой температуре вода кипит и испаряется, преобразуясь, таким образом, из жидкости в газообразное состояние. Как только вода испарилась, для получения воды из водяного пара путем конденсации необходимо присутствие источника холода (теплоприёмник). Причем для конденсации жидкости и создания непрерывного источника холода нужно использовать дополнительную энергию для удаления тепла от холодной ловушки водяного пара.

Кипячение загрязненной жидкости при атмосферном давлении обычно не является экономически приемлемым. Для обессоливания или удаления отходов температурное изменение лежит в пределах от приблизительно 70 до 212°Е (21 до 100°С), 142°Е (61°С) температурный перепад (ΔΤ). В более холодном климате температурный перепад часто бывает больше. Необходимая энергия для нагрева воды до кипения и поддержания теплоприемников в состоянии, достаточном для конденсации пара, делает традиционные устройства конденсации воды предельно дорогими в работе, без использования дорогостоящих батарей, кипящих камер. Они нашли свою нишу в специализированных применениях. Например, в пустынных районах, вблизи океана или содовых озер, для судов и при использовании в космическом пространстве, где можно пренебречь высокой стоимостью энергии для удовлетворения потребности в питьевой воде. Такие устройства, несмотря высокие затраты энергии, могут найти применение также в случаях, когда загрязняющие вещества настолько ядовиты, что они должны быть обязательно удалены из воды.

Мало того, что более высокая температурная дистилляция дорога, она может вызвать к тому же дополнительную проблему. При обработке загрязненных жидкостей, которые содержат минералы или органические молекулы, более высокая температура может вызвать химические реакции между молекулами. Некоторые реакции могут стать причиной образования молекул с большим молекулярным весом, которые, осаждаясь на стенках котла, затрудняют их очистку. Высокие температуры разрушают также имеющиеся в загрязнителе стенки органических клеток, которые могут выделять в жидкость ядовитые вещества. Высокая температура кипения может быть причиной испарения и миграции с водяным паром некоторых низкомолекулярных загрязнителей к конденсационному аппарату.

Обратноосмотические устройства (К.О.) являются также обычными регенераторами минерализованной воды. Они также являются дорогостоящими и не используются в больших масштабах.

Несмотря на проблемы с внешним давлением объемы обессоливания посредством дистилляции и обратного осмоса (К.О.) продолжают в Соединенных Штатах увеличиваться. Так, например, согласно данным Управления Прогноза по Развитию Техники, в 1955г. Соединенные Штаты не имели почти никакого объема обессоливания воды, и производили в 1970 меньше чем 30 миллионов галлонов в день (Мда1/б) (113,5 л миллиона в день). К 1985г. объем обессоливания воды превысил 200 Мда1/б (757 миллионов литров в день). Однако это количество - ничтожно малая величина по сравнению с ежегодным водопотреблением в Соединенных Штатах. В частности, Геологическая Служба Соединенных Штатов сообщает, что совокупный забор пресной воды в Соединенных Штатах в 1995 составлял 341 000 Мда1/б (1,29 х 10¹² литров в день).

В традиционных устройствах для дистилляции используются обычные парогенераторы. Парогенераторы представляют собой современную технику, полезное действие которой было изучено и задокументировано. См., например, МсАбашу Н., Теплопередача 2-ая редакция, МсОтате- НШ 1942, с. 133137.

-1005392

Парогенератор и конденсационные процессы фазового перехода. Энергия, требуемая для осуществления фазового перехода из жидкой фазы в газообразную, характеризуется нижеследующим уравнением теплоты парообразования:

О = аАЬ_¥(1) где О = тепловая энергия; (ΒΤϋ)(1а) (ΒΤυ - Британская тепловая единица равна 0,252 большой калории) а = вес испаряющейся жидкости; (1Ъз)(1Ъ) .\1р = теплота парообразования жидкости (ВТи/1Ъ)(1с) (1Ъ - основная единица массы в системе английских мер)

В течение производственного процесса непрерывной подачи, заданная энергия в единицу времени является простой производной времени в уравнении (1), которая определяется по формуле:

(2) (2а) где

ζ) = Тепловая энергия потока, (ВТи/Ьг)

Ьг - единица времени, ч •

^_ Масса (вес) испаряющегося потока жидкости (1Ъз/Ьг)(2Ъ)

Скорость теплопередачи потока между парогенератором и конденсационным аппаратом является комбинацией двух процессов - конвективного и кондуктивного и в соответствии с законом поглощения тепла Ньютона определяется по формуле:

0=и.4ЛЕТ,( где υ = коэффициент теплопередачи; (ВТи/(й² Ьг °Р))(3 а)

А = суммарная парогенераторная и конденсационная площадь (й²)(3Ъ)

АТ=Тс-Тв = температурный перепад между парогенератором и конденсационным аппаратом (°Р)(3 с)

Расчеты коэффициента суммарной теплопередачи посредством стандартного параллельного сложения величин каждой отдельной теплопередачи ведутся по формуле:

(4)

См., например, МсАйашз, Н., Теплопередача 2-ая редакция, МсОгаА-НШ 1942, с. 133-137. Это выражение содержит следующие определения:

Ь_с = коэффициент теплопередачи отдельного конденсационного аппарата;(ВТи/(й Ьг°Р))(4а)

Ь_В = коэффициент теплопередачи отдельного парогенератора; (ВТи/(й² Ьг °Р))(4Ъ)

К_теац,К_йи;а = коэффициент теплопроводности стенок и жидкости; (ВТи/й Ьг °Р))(4с)

Т_теац, Т_йша = общая толщина стенок (й)(44)

Масса потока щ, в фунтах в час, очищенной жидкости в единицах дистиллята может быть рассчи тана, посредством объединения уравнений (2) и (3):

• ильт νν —.

Δλγ

Массовый расход щ в галлонах за день:

_г иллт ^=Со_^у· (5) (6) где щ = массовый расход (галлонов/день) (6а)

Сс = конверсионная константа в галлонах за день = (24/8.3454) (6Ъ)

В каждом предшествующем уравнении получаемые величины зависят от температуры и давления. Следовательно, оптимальный термодинамический цикл для загрязненной воды или любой другой жидкости зависит от жидкости и загрязняющих веществ. Однако, свойства большинства жидкостей известны. Соответственно, можно описать каждую конкретную жидкость. Далее, используя обратную связь микропроцессора компьютера и систему контроля можно регулировать любые специфические требования.

Характеристика теплопередачи. Уравнения (5) и (6) показывают, что линейное увеличение общего коэффициента теплопередачи υ увеличивает в устройстве выход потока линейно. Увеличение темпера

-2005392 турного перепада требует потребления дополнительной энергии. Температура окружающей среды является не контролируемой и определяет рабочую температуру. Поэтому, максимизирование коэффициента теплопередачи, без увеличения рабочей температуры Т или температурного перепада ΔΤ является выгодным.

Толщина стенки парогенератора. Важно использовать максимально малую толщину поверхности _1теа11 стенки парогенератора/конденсационного аппарата из металлов, которые имеют высокую удельную теплопроводность _ктеа11. Как правило, толщина стенки должна находиться в пределах 0,010-0,015 дюймов (0,25-0,38 мм). Удельная теплопроводность для типичной стальной поверхности стенки парогенератора является приблизительно равной 25 ВТИ/(й Иг °Р) (0,43 ча11/ст-°С). которая эквивалентна теплопроводности стенок парогенератора с коэффициентом теплопередачи, лежащим в пределах между 20000 и 30000 вти / (й² Иг °р).

Тонкопленочный режим кипения. Минимизация толщины загрязненной водяной жидкой пленки на поверхности парогенератора улучшает теплопередачу к жидкости в парогенераторе. Традиционные парогенераторы не создают однородную пленку легкоподвижной жидкости против поверхности котла. Следовательно, они должны зависеть от высоких градиентов температур для переноса тепла через жидкую пленку. Как известно тонкая пленка закипает при более низкой температуре кипения. При предшествующем уровне техники, тонкая пленка жидкости наносится на стенки парогенератора двумя различными способами, а именно обтиранием или опрыскиванием.

Под влиянием вращения агрегата в целом, центростремительная сила тяжести (д) заставляет жидкость образовывать тонкую однородную пленку на поверхности парогенератора. В настоящем изобретении, инжекторы регулируют толщину жидкой пленки в соответствии со скоростью вращения парогенератора. Логика обратной связи компьютера могла бы максимизировать выход очищенного потока для заданного потребления энергии. Заявитель признает, что центростремительная сила тяжести вызывается вращением. Говоря обычным языком, многие именуют эту силу как центробежная сила. Хотя не существует никакой центробежной силы для воздействия на жидкость, в настоящей заявке используется термин центробежный, для обозначения этим термином сил, заставляющих покрыть внутреннюю часть кожуха парогенератора жидкой пленкой.

Величина толщины жидкой пленки обычно сохраняется в пределах между приблизительно от 0,020 дюймов до 0,010 дюймов (от 25 до 0,51мм). Традиционные парогенераторы не поддерживают такую малую величину толщины пленки. Следовательно, их производительность ограничена эксплуатационными режимами высоких температурных перепадов ΔΤ или большой площадью поверхности А парогенератора, поскольку при кипении величина теплопередачи понижается.

Высокая теплопередача парогенератора. В условиях относительно малых скоростей жидкости (число Рейнольдса, Не), величиной теплопередачи при кипении управляют конвекция и процессы фазового перехода. Тонкое состояние пленки в парогенераторе создает условия, в силу чего кипение жидкости в пузырчатом режиме может происходить при пониженной температуре ΔΈ которую дает высокая величина теплопередачи. Процесс теплопередачи с фазовым превращением является более сложным, чем конвекционный процесс, происходящий в условиях только обычной жидкой фазы. В конвекции жидкой фазы, можно наряду с геометрией системы описать методологию процесса, включая влияние вязкости, плотности, удельной теплопроводности, коэффициента расширения и удельной теплоемкости. Однако, математическая трактовка теплопередачи с фазовым превращением включает также характеристику шероховатости поверхности, поверхностное натяжение, скрытую теплоту парообразования, давление, плотность и другие свойства жидкого пара. Этот процесс становится настолько сложным, что его определяют аналитические выражения расчёта пространственных систем и эмпирические экспериментальные данные.

Вес жидкости на поверхности парогенератора является серьезной причиной, которая позволяет иметь место теплопередаче. Поэтому, искусственное увеличение веса жидкости (д), посредством ее вращения в области цилиндрической поверхности ведет при кипячении к увеличению коэффициента теплопередачи.

Высокая конденсационная теплопередача. В общем случае, происходящие при конденсации чистого пара физические процессы являются сложными. Эти процессы включают связанную теплопередачу и массу, в которой скрытая теплота конденсации резервирует способное к переносу тепло, причем в переносе массы участвуют и пар, и конденсат. Обычно скорость кондуктивного переноса конденсационного тепла является следствием большого количества содержащейся в паре скрытой энергии.

Когда остатки конденсата остаются в виде капель на конденсационной поверхности, процесс становится менее эффективным. Это связано с тем, что капли, остающиеся на поверхности, препятствуют новому пару достигать этой поверхности. Поэтому, удаление каплеобразного конденсата с конденсационной поверхности увеличивает эффективность работы конденсационного аппарата. Если конденсационная поверхность является цилиндрической и направлена лицевой частью наружу, вращение конденсационного аппарата с высокой скоростью (д) отбрасывает за счет центробежных сил от нее конденсат. С увели

-3005392 чением скорости вращения конденсат отбрасывается от конденсационной поверхности все быстрее и полнее, высвобождая ее тем самым для приема новых порций пара.

Сущность изобретения

Основным предметом настоящего изобретения является изложение сущности устройства, предназначенного для эффективной и дешевой регенерации воды, которое способно регенерировать морскую воду и другие загрязненные жидкости. При понижении в устройстве рабочего давления до давления пара загрязненной жидкости, кипение этой жидкости может произойти при температуре окружающей среды и малом перепаде температур (ДТ), например, при 6°Р (3°С) или меньше. При пониженной температуре кипение происходит на одной из нагреваемых сторон тонкой стенки парогенератора, а конденсация происходит на другой стороне стенки, при этом высвобождаемая при конденсации пара тепловая энергия переносится к нагреваемой стороне стенки и, таким образом, снабжает жидкость энергией для того, чтобы она могла кипеть на противоположной стороне стенки. Далее, конструируя стенку парогенератора/конденсатора в виде цилиндрического кожуха, имеющего направленную к оси вращения цилиндра поверхность кипения и затем, вращая цилиндр относительно своей оси, можно улучшить передачу необходимого для кипения жидкости тепла за счет создания более высоких центробежных сил (д) для жидкости. Аналогично, этому, поскольку лицевая конденсационная поверхность направлена наружу, сразу же после конденсации пара, капли конденсата отбрасываются от конденсационной поверхности. Это позволяет очистить эту поверхность для приема новых порций пара, что повышает КПД процесса конденсации. Вследствие высокой способности тепла к переносу, которая становится возможной вследствие вращения парогенератора/конденсатора, кипение жидкости может произойти фактически при температуре окружающей среды. Низкая температура кипения минимизирует возможность образования накипи и загрязнения поверхности парообразующей стенки. Это позволяет поддерживать величину теплопередачи при кипении на очень высоком уровне.

Одной из целей представленного изобретения является поддержание величины толщины жидкой пленки между приблизительно от 0,020 дюйма до 0,010 дюйма (от 0,51 до 0,25 мм). Тонкая пленка при ускоренном вращении (д) улучшает необходимую для кипения жидкости величину теплопередачи до нескольких тысяч британских тепловых единиц / (й² 1п °Р).

Другой целью представленного изобретения является изыскание и обеспечение промышленности устройством регенерации воды, которое способно обработать большие объемы жидкости в малом объеме устройства. Представленное изобретение посредством концентрической компоновки кожухов может достичь этой цели.

Еще одной целью представленного изобретения является создание, вместо пакетного режима, устройства, способного непрерывно работать. В соответствии с этой целью, загрязненная жидкость должна входить в устройство, а чистая вода, или другая очищенная жидкость выходить из него и непрерывно собираться. Аналогично этому, соли или другие загрязнители также непрерывно должны выходить из устройства и собираться отдельно.

Некоторая или большая часть загрязненной жидкости, очевидным образом, не будет испаряться. Следовательно, устройство не может превратить 100% поступающей морской воды, например, в питьевую воду. Это обусловлено тем, что увеличение процента выхода опресненной воды неизбежно ведет к увеличению температуры кипения, и, как следствие к увеличению энергетических потребностей устройства. Это связано с тем, что в соответствии с законом Рауля с увеличением концентрации солей в воде требуется увеличение температуры, чтобы довести оставшуюся жидкость до кипения. Дешевле возвратить в океан рассол из морской воды, тем более, что возвращающийся назад в океан рассол имеет не намного большую чем первоначальная концентрацию солей, что обычно приемлемо. Соответственно этому, целью настоящего изобретения является снижение количества рассола по отношению к исходному количеству морской воды намного менее 100%, потребление меньшего количества энергии и достижение высокой экономичности работы устройства.

С другой стороны, когда устройство удаляет токсические выбросы, которые могут быть в нем аккумулированы или размещены, ограничивая тем самым объем их выхода (то есть, ограничивая количество жидкости, которое остается с загрязнителем) является очевидным образом желательным. Это обусловлено тем, что такие устройства могут переработать и выпарить более высокий процент загрязненных жидкостей. Соответственно этому, другой целью представленного изобретения является создание устройства, которое может переработать различные виды жидкостей, начиная от морской воды до высокотоксичных выбросов.

Другой целью представленного изобретения является описание и обеспечение исполнения представленного изобретения, в котором различные детали могут быть изготовлены за относительно низкую стоимость. В представленном изобретении применены коаксиальные цилиндрические или конические кожуха. Одной из целей представленного изобретения является обеспечение дешевыми способами создания таких кожухов, включая обеспечение кожухами различных диаметров.

Еще одной целью представленного изобретения является использование эффективного компрессора для небольшого повышения температуры и давления водяного пара и направления его к поверхностям конденсации.

-4005392

Другой целью представленного изобретения является описание процесса, который требует меньше энергии, чем другие устройства.

Дополнительной целью представленного изобретения является обеспечение водой или другой регенерированной жидкостью в автоматическом режиме, без потребления каких-либо материалов в ходе регенерации жидкостей, причем предлагаемое для реализации этой цели устройство должно иметь длительный срок службы при минимальном техническом обслуживании.

Реализация поставленных целей достигается тем, что представленное устройство регенерации воды включает ряд тонких коаксиальных кожухов. Кожухи установлены во внутреннем корпусе устройства (чехле), в котором может поддерживаться вакуум. Два смежных кожуха образуют испарительную камеру, в которой происходит кипение жидкости и образование пара, а один из этих кожухов со следующим смежным кожухом образуют камеру для конденсации пара (конденсационная камера). Таким образом, парогенератор и конденсатор отделены друг от друга общей стенкой. При этом кожухи выполнены с возможностью совместного вращения внутри корпуса устройства.

Один конец каждой камеры для кипения жидкости (испарительная камера) открыт для компрессора, который повышает давление и нагревает водяной пар, образующийся при кипении воды. Поскольку жидкость кипит, компрессор переносит пар к камере конденсации, которая является открытой для расположенной ниже форточки компрессора. Пар достигает конденсационной стенки, которая является общей со смежной стенкой испарительной камеры. Здесь пар конденсируется и передает образующееся при этом тепло стенке кожуха. Получаемая тепловая энергия снова используется для кипячения поступающей жидкости. Это минимизирует тепловую энергию, которая необходима для работы устройства. Другими словами, скрытая теплота конденсации переносится из конденсатора в парогенератор и затем используется там для парообразования. Таким образом, для завершения цикла от парообразования до конденсации устройство не нуждается ни в каких других источниках тепла кроме энергии сжатия пара.

Лицевая поверхность кипения кожухов направлена к оси их вращения. Поэтому, любая жидкость на поверхности кипения получает дополнительную силу тяжести (д). При управлении потоком подаваемой на поверхность испарения жидкости можно поддерживать эту жидкость в устройстве в состоянии тонкой пленки. При этом за счет тонкопленочного кипения и дополнительных сил тяжести (д) увеличивается величина теплопередачи.

Поскольку лицевая конденсационная поверхность направлена наружу, как только пар достигает этой поверхности и конденсируется, он немедленно отбрасывается от нее. Это позволяет непрерывно очищать эту поверхность от образующегося на ней все нового и нового конденсата. Большие центробежные силы (д) заставляют конденсат, в виде уже очищенной жидкости, непрерывно собираться тонким слоем снаружи конденсационной камеры. Коническая же форма кожухов вынуждает конденсат стекаться к концевой части кожуха с наибольшим диаметром, где он собирается.

При кипении жидкости в парогенераторе, большие центробежные силы (д) предохраняют от загрязнения его стенки. Конструкция устройства предотвращает его загрязнение от поступления отработанной жидкости назад к входному отверстию. Большие центробежные силы (д) также вынуждают загрязненную жидкость непрерывно течь по стенкам парогенератора. Когда она достигает концевой части стенки, она отбрасывается наружу и собирается в желобе. Из желоба загрязненная жидкость откачивается или каким-либо иным способом удаляется из корпуса. Разделять грязную и чистую жидкости на отдельные фракции можно посредством отвода собранной загрязненной и чистой жидкости к противоположным концам кожухов.

Устройство может снабжать особо чистыми жидкостями или водой, и это может быть применено при очистке токсических выбросов. В этом отношении устройство может разделять на фракции все виды загрязненных жидкостей, включая загрязненные нитратами и цианидами водные источники, загрязненные нефтью водные зеркала и даже воду, которая содержит радиоактивные загрязняющие вещества. В приложении к промышленности текстильные фабрики могли бы извлекать свои загрязненные красители и растворы из воды, платиновая промышленность могла бы извлекать свои металлы и химикалии из использованной воды в их платиновых лотках, электронная промышленность могла бы извлекать токсические химикалии из использованных в ходе производственного процесса растворов. Все эти возможности можно использовать по той же самой, описанной выше технологии функционирования устройства в разных, специфических условиях эксплуатации.

Эти и другие цели являются очевидными из приводимого ниже описания изготовленного образца этого устройства по данному изобретению.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вертикальный фронтальный разрез устройства - вид сбоку.

Фиг. 2, 3 и 4 - аксонометрические проекции вертикальных фронтальных разрезов устройства, каждая из проекций представлена с различных точек наблюдения, в том числе: фиг. 2 - прямоугольная диметрическая проекция, вид сверху справа; фиг. 3 -прямоугольная диметрическая проекция, вид сверху слева; фиг. 4 - прямоугольная изометрическая проекция, вид справа по отношению к фиг. 1.

Фиг. 5. - изометрическая прямоугольная проекция парогенератора/конденсатора со стороны впускного отверстия конденсатора.

-5005392

Фиг. 6, 7 и 8 иллюстрируют вертикальные осевые разрезы парогенератора/конденсатора. В частности, фиг. 6 иллюстрирует осевой разрез 6-6, показанный на фиг. 1, причем на переднем плане фиг. 6 видны трубки для сбора очищенной воды, а на заднем - входные трубки для подлежащей очистке загрязненной жидкости. Вентилятор/компрессор не показан на этой фигуре. Фиг. 7 - иллюстрирует тот же самый разрез, что и на фиг. 6, но с той разницей, что вентилятор и внутренний корпус (чехол) здесь показаны. Фиг. 8 иллюстрирует вертикальный осевой разрез устройства (с показом во внутреннем корпусе устройства вакуумной /испарительной/ камеры) по отношению к фиг. 1, вид справа.

Фиг. 9 - детальный разрез левой концевой части устройства, изображенной на фиг. 1 и предназначенной для сбора и отвода отработанной жидкости.

Фиг. 10 - детальный разрез правой входной части устройства, изображенной на фиг. 1, для регенерации морской воды или иной загрязненной жидкости с показом способного к вращению парогенератора.

Фиг. 11 - вид сбоку на устройство для регенерации морской воды или иной загрязненной жидкости, работающего в горизонтальном положении.

Фиг. 12 - другой вид сбоку на устройство для регенерации морской воды или иной загрязненной жидкости. В представленном виде устройство установлено вертикально и на стенде.

Фиг. 13 - аксонометрические проекции комплекта из 30-ти вертикально установленных устройств для регенерации морской воды или иной загрязненной жидкости.

Фиг. 14 - схематическая блок-диаграмма (функциональная схема) процесса регенерации морской воды или иной загрязненной жидкости с показом общей стенки парогенератора/конденсатора.

Фиг. 15 - аксонометрическая проекция части парогенератора/конденсатора другого варианта исполнения представленного изобретения.

Фиг. 16 - детальный вид части парогенератора/конденсатора, представленного на фиг. 15.

Фиг. 17 - шаблон, который может использоваться для изготовления кожухов устройства в представленном изобретении.

Фиг. 18 - схема другого варианта конструкции представленного изобретения, иллюстрирующая вывод отработанных и очищенных потоков, радиально разбрызгиваемых в сторону стационарных выходных труб.

Фиг. с 19 по 24 - диаграммы трехмерной поверхности, показывающие предсказываемую теплопередачу при кипении (в британских тепловых единицах / (йг °Р й²)) для различной скорости вращения и перепада температур ДТ. Каждая из диаграмм трехмерной поверхности иллюстрирует предсказываемую теплопередачу для различных материалов, используемых для покрытий кожухов и для различной температуры окружающей среды, которая приведена в диаграммах.

Фиг. 25 - диаграмма прогнозируемого касательного напряжения (в фунтах на квадратный дюйм) на внешнем кожухе при различном числе его оборотов для образцового варианта конструкции устройства, не имеющего никакой жидкой нагрузки, диаметр 5 й (1,5 м), толщина 0,015 дюймов (0,38 мм), нержавеющая сталь.

Фиг. 26 - диаграмма, подобная показанной на фиг. 25, с прогнозируемым касательным напряжением для того же самого размера кожуха, но покрытого жидкой водяной пленкой толщиной 0,07 дюймов (1,8 мм).

Фиг. 27 - диаграмма, показывающая, каким образом для заданного расположения кожуха изменяется интегральная площадь парогенератора в зависимости от внешнего и внутреннего радиуса, а также толщины и длины кожуха.

Фиг. 28 - диаграмма, показывающая использование энергии на фунт потока воды при различных давлениях в парогенераторе и изменяющихся степенях сжатия от парогенератора до конденсатора.

Фиг. 29 - ряд диаграмм, показывающих использование энергии на фунт потока воды при различных температурах в парогенераторе и изменяющихся перепадах температур между парогенератором и конденсатором.

Фиг. 30 - ряд диаграмм, показывающих использование энергии на фунт потока воды при различных величинах перепадов температур ДТ между парогенератором и конденсатором при использовании комбинации компрессорных двигателей различной производительности.

Фиг. 31 - график, показывающий нарастание температуры кипения морской воды в зависимости от температуры ее нагрева соответствующей различной степени минерализации воды.

Фиг. 32 - график, показывающий нарастание температуры кипения морской воды в зависимости от различной степени ее минерализации, соответствующей различной температуре нагрева воды.

Детальное описание иллюстративных примеров устройства

Устройство регенерации воды 10 по представленному изобретению использует кипение жидкости при низком давлении с последующей конденсацией образующегося пара, как это показано на фиг. 14 в упрощенной форме. Конструкция устройства является условной. Она имеет испарительную камеру или парогенератор 12 и конденсатор 14, которые установлены в вакуумной камере (на фиг. 14 не показана), таким образом, содержимое парогенератора и конденсатора находится под вакуумом. Загрязненная жид

-6005392 кость или морская вода 16 подается в испарительную камеру 12, в которой она растекается на общей для парогенератора/конденсатора стенке 18. В данном описании термины загрязненная жидкость или морская вода используются попеременно.

Компрессор 20 соединен с парогенератором 12 так, чтобы уменьшить давление в пределах парогенератора. Посредством надлежащей регулировки внутреннего вакуума и понижения давления, которое создает компрессор 20, жидкость 16 начинает кипеть и испаряется. Компрессор направляет образующийся пар в направлении стрелки 22. Поскольку пар сжимается компрессором, его температура увеличивается.

Нагретый пар продолжает переноситься в направлении стрелки 24. В результате пар попадает в конденсационную камеру 14, где входит в контакт с общей стенкой 18 и конденсируется в виде капелек жидкости 26, которые падают в конденсатосборник очищенной жидкости 28. Выделяемую при конденсации пара тепловую энергию воспринимает общая стенка 18. Таким образом, энергия скрытой теплоты конденсации в конденсаторе 14 выступает как источник энергии, которая поставляется парогенератору 12 в качестве теплоты испарения.

Два основных технических решения существенно увеличивают выход очищенной жидкости в представленном изобретении:

наличие общей стенки 18 в виде цилиндрического кожуха и установка раздельных коаксиальных кожухов в пределах вместимости данного устройства; и вращение кожухов с высокой скоростью для воздействия на загрязненную и обработанную воду больших центробежных сил (д).

На фиг. 1 показан иллюстративный пример устройства сборочного узла парогенератора/ конденсатора и его составляющих частей, наглядно поясняющий обе конструкции.

Вращающийся парогенератор и конденсатор. Заявитель полагает, что устройство по представленному изобретению может иметь размеры приблизительно от 20 дюймов (50 см) в диаметре до 5 футов (1,5 м) или более. Первый вариант предложенного изобретения относится к малогабаритным устройствам.

Устройство для регенерации 30 по представленному изобретению включает внутренний корпус (чехол) 50, который размещен внутри вакуумной камеры 80 (фиг. 1). Диаметр внутреннего корпуса 50 иллюстративного примера устройства равен приблизительно 14,1 дюймов (36 см). Устройство в целом может иметь увеличенный или уменьшенный масштаб. Однако, как далее объяснено более подробно, устройство 30 включает ряд коаксиальных металлических кожухов. В иллюстративном примере кожуха изготовлены из нержавеющей стали, алюминия или другого металла, хотя могут быть приемлемы также некоторые виды пластмасс. Металлы имеют лучшие теплопроводность, но пластмасса менее дорога в изготовлении.

Иллюстративный пример устройства, показанный на фиг. 1, имеет четыре предварительно собранных кожуха, причем каждая предварительная сборка включает два кожуха. Из них только три кожуха были рассмотрены первоначально - это внешний кожух 40, промежуточный кожух 32, который находится внутри внешнего кожуха 40, и внутренний кожух 34, который находится внутри промежуточного кожуха. На фиг. 1-4 и 10 термины внутренний, промежуточный и внешний являются относительными понятиями, поскольку представляют собой три смежных кожуха, размещенных во внутреннем корпусе 50 устройства.

Пространство (промежуток) между внешним кожухом 40 и промежуточным кожухом 32 представляет собой испарительную камеру или парогенератор 38. Точно так же пространство (промежуток) между промежуточным кожухом 32 и внутренним кожухом 34 представляет собой конденсационную камеру

36. В этом варианте устройства высота каждой камеры равна 0,395 дюйма (10 мм).

Кожухи размещены в пределах внутреннего корпуса 50 (фиг. 1-4). Хотя внутренний корпус может быть металлическим, в представленном варианте устройства - это твердая пластмасса типа Ьехап ®. Внутренний корпус образован двумя его половинками 52 и 54, которые закреплены вместе посредством зубчатых колес с внутренним зацеплением 56 и 58. Монтаж также может быть произведен разделением мест 280 и 300, каждое место имеет соответствующее крепление посредством клея, сварки, болтов или другое совместное крепление посредством зубчатых колес с внутренним зацеплением. Соединение должно быть прочным и воздухонепроницаемым, потому что внутреннее пространство внутреннего корпуса 50 находится под другим давлением, чем вне корпуса 50. Диаметр внутреннего корпуса в этом иллюстративном варианте устройства составляет приблизительно 14,2 дюймов (36 см), а длина приблизительно 11,5 дюймов (29,2 см). Эти цифры будут естественно изменяться, если устройство будет иметь большие или меньшие размеры. Внутренние половинки корпуса должны быть предпочтительно идентичны, поскольку это уменьшит затраты на их изготовление.

Кожухи 32, 38 и 40 изготовлены из металла с высокой удельной теплопроводностью, например, такого как нержавеющая сталь. Нержавеющая сталь прочна, имеет относительно низкую стоимость и не подвержена коррозии солями или загрязняющей жидкостью. Анодируемый алюминий также пригоден в качестве возможного выбора материала для кожухов. Он имеет меньший вес, чем нержавеющая сталь и имеет лучшую удельную теплопроводность. Однако он менее прочен и более подвержен коррозии агрес

-7005392 сивными веществами. Из других возможных металлов некоторые являются слишком непрочными, более дорогими, имеют недостаточную теплопроводность или коррозионную стойкость. Размер одного устройства может быть обусловлен фактором выбора материала.

В представленном изобретении особое внимание уделено внутренним и внешним поверхностям кожухов (например, кожух 32), чтобы обеспечить максимальное приближение к идеальному парообразованию и конденсации. В частности, поверхности парообразования могут быть обработаны специальными поверхностными покрытиями, и таковые были исследованы на их применимость для данного изобретения. По причинам, которые приведены ниже, материал для кожухов может иметь процарапанные на его поверхности канавки. Покрытие поверхности не смачиваемым материалом, например пластмассой типа Тефлон ® может увеличить парообразование или конденсацию.

Внутренний корпус 50 установлен с возможностью вращения в пределах внешнего корпуса или вакуумной камеры 80. Между внутренним вакуумом в камере 80 и внешним давлением окружающей среды имеется значительная сила перепада давления. Поэтому, стенки 82 вакуумной камеры должны иметь достаточную толщину, чтобы противостоять разрушительному воздействию сил давления вне камеры. Толщина стенок рассчитывается с использованием известных зависимостей отвечающих требованиям коэффициента запаса прочности и должна иметь большую толщину для камер большего диаметра. Для экономии веса и материала внешняя стенка 82 может быть гнездообразной наподобие яйцеобразного контейнера. Могут использоваться также другие способы упрочнения.

Пара торцевых заглушек 84 и 86 и центральная цилиндрическая секция 88 образуют внешнюю вакуумную камеру 80 (фиг. 1-4 и 11), наружный диаметр которой составляет приблизительно 19,7 дюймов (50 см). Как и прежде, торцевые заглушки и цилиндрическая секция могут быть металлическими, но в данном иллюстративном примере они изготовлены из твердой пластмассы типа Ьехаи ®. Пластмасса достаточно прочна, чтобы противостоять нагрузкам в устройствах малого диаметра, которые показаны на фиг. 1. Большие вакуумные камеры могут требовать для своего изготовления металлических конструкций или обмотки их волокнистыми композиционными материалами. Каждая торцевая заглушка имеет усеченно-коническую часть 90, изгиб которой переходит в узкую цилиндрическую часть 92 (фиг. 1 и 11). Торец 92 позволяет этим деталям быть надежно соединенными с каждой торцевой заглушкой, как показано на фиг. 1. Эти детали будут описаны ниже. Стыковой интервал между внешней стороной каждой торцевой заглушки составляет приблизительно 25,6 дюймов (65,0 см).

В устройстве могут быть применены осевые ограждения, прикрепленные к испарительным или конденсационным поверхностям кожухов для управления пленочной или иной жидкостью. См. фиг. 15 и 16 альтернативной конструкции кожуха, который имеет форму ограждения.

Внутренняя поверхность втулок 96 и 97 (фиг. 1-4) размещена в центре каждой торцевой заглушки. Торцевые заглушки также расположены на внешних ребрах жесткости 98 (фиг. 2-4 и 11). В иллюстративном примере устройства торцевые заглушки полностью идентичны, что позволяет использовать одну торцевую заглушку для обеих сторон вакуумной камеры.

Цилиндрическая секция 88 вакуумной камеры 80 может быть отлита из пластмассы, обмотанной волокнистым композитным материалом, или состоять из металла. Усиливающие ребра 100 направлены лицевой поверхностью наружу от цилиндрической секции (фиг. 11). Кольцевые фланцы 102 на торцевых заглушках 84 и 86 соединяются с кольцевыми фланцами 104 на цилиндрической секции 88. Болты 106, продетые через кольцевые фланцы, обеспечивают закрепление цилиндрической секции к торцевым заглушкам, но возможно и другое крепление. В иллюстрируемом варианте устройства использованы болты, поскольку они могут быть удалены в случае необходимости обеспечения доступа в камеру. Торцевые заглушки 84 и 86 также имеют кольцевой шпунт 104, который размещен в кольцевом пазе 106 на цилиндрической секции. Шпунт и паз центрируют торцевые заглушки с цилиндрической секцией, и помогают тем самым создать лучшее уплотнение. Уплотнительное кольцо (не показано) между шпунтом и пазом обеспечивает герметическое уплотнение. Поскольку внутренняя часть камеры 80 находится в состоянии, близком к вакууму, давление окружающей среды имеет тенденцию вталкивания торцевых заглушек в цилиндрическую секцию.

Станина 110 служит для опоры на землю основания устройства 30. На фиг. 1 устройство опирается на станину в горизонтальной плоскости. На фиг. 12 использована другая станина 111, на которую устройство опирается в вертикальной плоскости. Конструкция устройства позволяет устанавливать его для применения по желанию или в горизонтальной или в вертикальной плоскости. Возможен также ряд вертикально установленных устройств, показанных на фиг. 13, которые описываются ниже.

Внутренний корпус 50 установлен для вращения внутри камеры 80 на оси вращения 132. В иллюстративном варианте устройства пустотелые валы 120 и 122 пропущены через соответствующие втулки 96 и 97 из торцевых заглушек 90 вдоль оси вращения. Валы являются полыми, поскольку они транспортируют жидкость, как будет описано ниже. Каждый вал имеет фланец 124 и 126, который закреплен в соответствующей нише 128 и 130 (фиг. 1 и 10). Поскольку валы установлены на внутреннем корпусе 50 для вращения с высокой скоростью, они должны быть прочны, изготовлены с высокой точностью, и что также важно выдерживать установленные допуски при креплении их во втулках 96 и 97 камеры 80 (фиг. 10).

-8005392

Вал 120 на левой стороне фиг. 1 устройства пролегает через втулку 140 установленной на торце 142 внутренней половинки корпуса 52, что лучше всего показано на фиг. 9. Опора 146 позволяет вращаться во втулке 140 корпусу 50 на оси вращения 132. Точно так же, как это лучше всего показано на фиг. 10, вал 122 на правой стороне устройства пролегает через втулку 148 другой внутренней половинки корпуса. Опора 152 позволяет вращаться во втулке 148 на оси вращения внутреннему корпусу 50. Опоры 146 (фиг. 9) и 152 (фиг. 10) в иллюстрируемом варианте устройства представлены шарикоподшипниками, но специалисты в данной области техники могут заменить их другими опорами, например, магнитными подшипниками. Любые опоры должны быть долговечны и не подвергаться никакой коррозии. Выбор требуемых опор будет определяться размером и весом устройства, а также скоростью вращения внутреннего корпуса 50.

В иллюстрируемом варианте устройства двигатель 160 вращает внутренний корпус 50 посредством ременной, цепной или зубчатой передачи (фиг. 1). Двигатель установлен на внешней стороне торцевой заглушки правой части корпуса 90. Как показано на фиг. 10, двигатель расположен при этом также внутри внешнего корпуса 80. Обе торцевые заглушки 90 имеют конструкцию 168 (фиг. 4), что позволяет установить двигатель таким образом, при котором торцевые заглушки могли бы быть идентичными, что дает возможность сэкономить на затратах по их изготовлению. Несмотря на это, устройство использует только один двигатель 160, и он установлен на торцевой заглушке правой части корпуса.

Это обусловлено тем, что для обеспечения вращения внутреннего корпуса необходимой вращательной энергией достаточно энергии маленького двигателя. Такой двигатель использует постоянно только около 25 ватт мощности. Однако, размеры двигателя и потребляемая им энергия будут изменяться с изменением размеров устройства и количеством кожухов. Электродвигатель очень эффективен и легко управляется посредством стандартных автоматических регуляторов работы. Там где электрическая энергия недоступна, устройство может использовать электрическую энергию солнечных батарей или ветряных генераторов энергии. Эти источники энергии вполне могут использоваться для полноценной работы устройства для регенерации воды и загрязненных жидкостей.

В случае ременного привода работы иллюстрируемого варианта устройства, двигатель 160 приводит в действие шкив 162, который посредством ременной передачи 166 приводит, в свою очередь, шкив 164 вращающегося во втулке 122, расположенной на правой стороне, внутреннего корпуса 50. На фиг. 1, 4 и 10 использован ременной привод, что обусловлено его простотой и тем, что такой привод позволяет минимизировать колебания. Прямой, цепной, зубчатый или другой механизмы привода также могут использоваться. Выходная скорость оборотов двигателя и относительных диаметров шкивов 162 и 164 определяет скорость вращения внутреннего корпуса 50. Предполагается, что для устройств малого размера, такого, как показанного на фиг. 1 и на других связанных фигурах (производительностью, например, приблизительно 350 галлонов/день) (1324,75 л/день), внутренний корпус должен вращаться со скоростью приблизительно в 1 000 оборотов в минуту, что соответствует центробежной силе (§'§), равной примерно 500 г на наиболее удаленном кожухе.

Жидкость и массовый расход. Загрязненная жидкость поступает в устройство с правой стороны устройства (фиг. 1) через впускную трубу 170 (фиг. 1 и 10), которая расположена внутри пустотелого вала 122. Впускной патрубок 172 впускной трубы 170 является стационарным и соединен с источником морской воды или другой загрязненной жидкости. Выпускной патрубок 174 трубы, однако, вращается совместно с вращением внутреннего корпуса 50. Поэтому необходимо уплотнение (не показано) между впускным и выпускным патрубками впускной трубы 170. Уплотнение может быть вне вакуумной камеры 80, во втулке 97 камеры или внутри камеры.

Выпускной патрубок 174 впускной трубы заканчивается несколькими ответвлениями. Иллюстрируемый вариант устройства имеет три таких ответвления 180, 182 и 184 (в частности, см. фиг. 5). Количество ответвлений может измениться в зависимости от угловой скорости, размеров кожухов внутреннего корпуса и числа оболочек. Каждое ответвление имеет несколько инжекторов. В иллюстрируемом варианте устройства для каждого ответвления их число равно четырем 186, 188, 190 и 192 (см. фиг. 5). В иллюстрируемом варианте устройства использовано по четыре инжектора в каждом ответвлении, потому что каждый инжектор установлен на одном парогенераторе или испарительной камере, например такой, как камера 38 (фиг. 1). Иллюстрируемый вариант устройства имеет четыре таких камеры.

Поток загрязненной жидкости из впускной трубы, через уплотнение, и далее через ответвления 180, 182 и 184 и затем через инжекторы 186, 188, 190 и 192 поступает в испарительные камеры, например, в камеру 38. Высокие скорости вращения ответвлений создают основной напор загрязненной жидкости, который изменяется с увеличением удаленности инжекторов от оси вращения 132. Следовательно, каждый инжектор может иметь ограничитель потока или нагнетательный патрубок, чтобы компенсировать потери напора. С другой стороны, когда загрязненная жидкость вводится в испарительную камеру, возникающая вследствие вращения центробежная сила создает тонкую пленку этой жидкости, которая растекается по внутренней поверхности кожуха 40. Поскольку поверхность внутренней лицевой стенки отстоит дальше от оси вращения, чем поверхность подобной же близкорасположенной к оси вращения стенки, более далекая стенка требует большего количества загрязненной жидкости, чтобы обеспечить ту же самую толщину тонкой пленки жидкости. Вязкость жидкости также влияет на расход потока. Работа

-9005392 нагнетательных патрубков или других средств регулирования расхода потока может быть автоматизирована посредством обратной связи с компьютером для управления устройством с учетом изменяющихся условий.

Поскольку загрязненная жидкость находится под низким давлением, тепловая энергия поверхности кожухов является причиной кипения жидкости при низкой температуре. Как было показано выше, тонкопленочное состояние жидкости и высокие центробежные силы интенсифицируют ее кипение. В результате часть загрязненной жидкости переходит в парообразное состояние. Этот пар представляет собой чистые, незагрязненные газообразные молекулы очищаемой жидкости. В обычных парогенераторах, некоторые загрязняющие жидкости испаряются или механически извергаются в виде твердых тел и становится частью конденсата. Центробежные силы (д), воздействующие на загрязненную жидкость в представленном изобретении, предотвращают испарение или извержение более тяжелых молекул из пленки загрязненной жидкости. Следовательно, полученный конденсат является более очищенным, чем он мог бы быть получен при использовании обычных парогенераторов и конденсаторов и вероятно не содержит бактерии, вирусы, органические молекулы или металлы. Это обусловлено тем, что устройство развивает достаточные центробежные силы (д), вследствие чего, вирусы не могут быть вынесены с водным паром.

Понятно, что какая-то часть загрязненной жидкости не испаряется. Следовательно, раствор становится более насыщенным загрязняющими веществами. Большие центробежные силы (д) сохраняют этот отстой или концентрированную загрязненную (отработанную) жидкость в виде тонкой пленки на внутренней поверхности стенки 40.

До образования последующего отстоя, рассмотрим дальнейшее поведение потока пара. Кольцевые стенки 200, 202, 204 и 206 (фиг. 5) закрыты (являются глухими) для впускного патрубка испарительных камер типа камеры 36 (фиг. 2). Инжекторы 186, 188, 190 и 192 (фиг. 5) введены в кольцевые стенки, но при этом стенки блокируют поступление потока загрязненной жидкости, отстоя или пара назад к противоположной течению потока поверхности испарительных камер. В результате, загрязненная жидкость, отстой и пар двигаются налево, как это показано на фиг. 1.

После того, как пар выходит из находящейся ниже течения потока стороны испарительных камер (см. левую часть устройства на фиг. 1), например, из камеры 38, вентилятор компрессора 220 (паровой компрессор - компрессор, снижающий давление, в испарительной камере; он же конденсаторный компрессор - компрессор, повышающий давление в конденсационной камере-конденсаторе) вытягивает пар. Камера 38 находится при давлении 0,1 атмосфер или ниже, или при близком к вакууму из-за очень низкого давления во внешней вакуумной камере 80. Вентилятор 220 также понижает давление внутри испарительной камеры.

Вентилятор компрессора 220 (далее вентилятор то же самое, что компрессор) располагается вдоль оси вращения 132 кожуха в корпусе 50. Небольшой электродвигатель 222 вращает вал 224, который соединен с вентилятором и вращает его (см. фиг. 1-4). В иллюстрируемом варианте устройства, вентилятор является одноступенчатым, но он может быть и многоступенчатым, состоящим из ряда лопастей вентилятора. Вентилятор вращается в направлении, противоположном вращению кожухов. Поэтому, создаваемый вентилятором вращающий момент помогает вращению кожухов посредством сохранения момента количества движения.

В иллюстрируемом варианте устройства предполагается, что небольшой двигатель мощностью в 222 Вт будет достаточен для эффективной работы вентилятора 220. Между двигателем и валом можно предусмотреть зубчатую передачу 224. Мощность двигателя вентилятора должна быть подобрана таким образом, чтобы обеспечить необходимое количество компрессии в устройстве для очищаемой загрязненной жидкости.

Пар вытягивается вентилятором 220 и входит в паропровод 226, расположенный позади вентилятора (фиг. 1-4). Форма паропровода позволяет создать желаемое давление на выходе вентилятора, чтобы достигнуть выбранных степеней сжатия. В иллюстрируемом варианте устройства диаметр пароприемника в вентиляторе составляет 5,6 дюймов (14,2 см), а диаметр на выходе - 4,8 дюймов (12,2 см), что составляет между ними соотношение как 1:0,73. Условия эксплуатации, включая температуру окружающей среды и состояние загрязненной жидкости, влияют на это соотношение. Поэтому любые корректировки должны служить достижению заданной эффективности {КПД} вентилятора.

Возвращаясь к описанию парогенератора и процесса конденсации, отметим, что вентилятор слегка сжимает пар образующийся на поверхности испарения, причиной которого является адиабатическая теплота пара. Величина нагрева должна быть меньше чем 6°Б (3°С). В этом случае слегка подогретый пар выносится в правую сторону паропровода 226 (фиг. 1) и в конденсационные камеры типа камеры 38. Здесь пар входит в контакт с внешней поверхностью кожуха 32. В процессе кипения загрязненной жидкости на внутренней поверхности кожуха 32 тепловая энергия от кожуха передается загрязненной жидкости. Соответственно, обратная сторона стенки кожуха охлаждается. Когда слегка сжатый и более теплый пар соударяется с такой холодной стенкой, он, очевидным образом, конденсируется.

Большие центробежные силы (д) немедленно отбрасывают подвергшуюся конденсации жидкость от стенки 34 к стенке 32. Фактически, большие центробежные силы (д) отбрасывают от стенки 34 даже самые маленькие капельки конденсата. Следовательно, поверхность конденсации не содержит на себе

-10005392 сколь либо длительное время конденсат, который, как известно, препятствует непрерывной конденсации. Таким образом, поступающий в испарительную камеру пар постоянно сталкивается только с чистой поверхностью конденсации, что существенно ускоряет этот процесс.

Этот конденсат растекается по внешней поверхности кожуха конденсационных камер, такого как кожух 32 камеры 38. Центробежная сила преобразует чистую воду в тонкопленочное состояние. Заблокированная от перемещения в правую сторону стенками, такими как стенка 200, очищенная вода течет к левосторонним концам (фиг. 1) кожухов. Таким образом, в варианте устройства, показанном на фиг. 1, очищенная вода собирается в левой стороне кожухов, предназначенных для конденсации, таких как кожух 38. Отстой (отработанная жидкость) также перемещается в левую сторону кожухов, но только кожухов, предназначенных для парообразования, таких, например, как кожух 36.

Имеется множество способов сбора конденсата, и данное изобретение описывает некоторые из них. Возвратимся для этого сначала к варианту устройства, показанному на фиг. 1, и на фиг. 1-4 и 6, как движущийся влево поток конденсата (фиг. 1) достигает стенок 240, 242 или 244 (фиг. 6). Каждая стенка имеет отводную трубу 246, 248 и 250 (фиг. 1), пролегающую через стенки конденсационной камеры до коллекторной трубы 256. В иллюстрируемом варианте устройства использована трехпозиционная установка этой коллекторной трубы 256, 258 и 260 (фиг. 6). Как показано на фиг. 1, очищенная вода через выводные трубы 246, 248 и 250 достигает коллекторной трубы 256. Центробежная сила, создаваемая вращением внутреннего корпуса, вынуждает очищенную воду двигаться к трубе 254 (фиг. 1). Эта труба пропущена, в свою очередь, через стенку 262 (фиг. 6). Давление, возникающее под воздействием центробежной силы в коллекторной трубе 256, 258 и 260, вынуждает очищенную воду через трубу 254 поступать в коллекторную камеру 268.

Коллекторная камера 268 является наиболее удаленной камерой. Она образована из кожуха 40 и внешнего кожуха 270 (фиг. 1). Заметим, что в иллюстрируемом варианте устройства, кожух 270 является суженным и имеет на правой стороне кожуха большой диаметр, приблизительно равный 14,2 дюймов (36,1 см). Когда очищенный конденсированный поток жидкости вытекает из трубы 254 и попадает в коллекторную камеру, центробежные силы вынуждают жидкость течь к правой стороне кожуха 270, имеющей наибольший диаметр. Поскольку правый конец коллекторной камеры не заблокирован (фиг. 1 и 5) поток конденсата стекает к концу кожуха 270 и затем в желоб 280. Внешние размеры желоба превышают набольший диаметр кожуха 270. Поэтому, центробежная сила заставляет конденсат собираться со всей периферической поверхности в желобе.

Стационарный трубчатый ковш 286 пролегает от открытого конца 288 до желоба 280 через фитинг 290 в пустотелом вале 122. Трубчатый ковш установлен на валу и не вращается с внутренним корпусом 50. Открытый конец 288 обращен к направлению вращения внутреннего корпуса. Поэтому, очищенный конденсат поступает в открытый конец с высокой скоростью и стремится течь в трубном ковше от открытого конца к фитингу и пустотелому валу. Трубчатый ковш имеет такую форму, чтобы облегчить поток конденсата к пустотелому валу 122.

Центральное отверстие 292 пустотелого вала 122 имеет больший диаметр, чем внешний диаметр впускной трубы 170 (фиг. 1). Это центральное отверстие прилегает к фитингу 290 таким образом, чтобы очищенный конденсат мог течь через центральное отверстие, и собираться в конце пустотелого вала 122. Малый насос может быть необходим для предотвращения возможных небольших кинетических потерь конденсата из внутреннего устройства до его окончательного сбора при атмосферном давлении.

Между тем, отстой, то есть более концентрированная загрязненная жидкость, которая не испарилась, перемещается налево (фиг. 1) по внутренней лицевой поверхности стенок испарительных камер (например, по стенке 40 испарительной камеры 36). Заметим, что кожухи здесь также сужаются, в частности их левая сторона имеет наибольший диаметр. В связи с этим центробежная сила заставляет отстой течь в левую сторону. Когда отстой достигает левого конца кожухов, центробежная сила отбрасывает отстой наружу, где он собирается в круговом {периферическом} желобе 300. При этом центробежная сила заставляет отстой растекаться в желобе.

Стационарный трубчатый ковш 302 для отстоя является подобным другому ранее описанному трубчатому ковшу 286 для сбора чистого конденсата и пролегает от открытого отверстия 304 в желобе 300 к фитингу 306 в пустотелом валу 120 (фиг. 1 и 9). Трубчатый ковш 302 не вращается с внутренним корпусом 50. Открытый конец 304 ковша 302 обращен к направлению вращения внутреннего корпуса так, чтобы отстой поступал в открытый конец с высокой скоростью и стремился течь к фитингу 306 и пустотелому валу 120 (фиг. 9). Трубчатый ковш имеет такую форму, чтобы облегчить поток конденсата к пустотелому валу 120.

Как показано на фиг. 9 фитинг 306 имеет кольцевой паз 308, который сообщается с трубчатым ковшом 302. Один или более каналов 310 пролегают от кольцеобразных желобков в центр 312 пустотелого вала 120. Центр 312 установлен в торцевой заглушке 84, которая не вращается. Отстой течет через центр пустотелого вала, где и собирается.

В иллюстрируемом варианте устройства кожухи сужаются таким образом, чтобы действующая на жидкость центробежная сила усиливала течение потока жидкости к концевой части кожуха с наибольшим диаметром. Альтернативно, кожухи могут быть цилиндрическими, поскольку жидкость, кроме того,

-11005392 еще может течь по цилиндрическим стенкам. Для образования загрязненной жидкостью тонкой пленки на стенах парогенератора, например, внутри внешней стенки 40 (фиг. 1), она вводится в один конец кожуха, где центробежные силы (д) преобразуют ее в тонкий, равномерный слой жидкости. Это вынуждает жидкость течь в противоположный конец стенки кожуха, сохраняя при этом, в определенном смысле, выровненный уровень жидкости. Фактически, центробежные силы (д) являются достаточными для того, чтобы вынудить жидкость течь вверх по стенке, даже если кожуха установлены вертикально (то есть, в направлении вертикальной оси вращения 132, так как она показана на фиг. 12 и 13). Вертикальная установка может увеличить перемещение отстоя вниз вдоль стенки парогенератора, так что он может стечь ко дну каждого кожуха для последующего сбора и отвода.

Фиг. 13 показывает, как тридцать устройств, расположенные по схеме 6x5, могут удобно разместиться вместе. Принимая во внимание, что каждое устройство прилегает к смежному устройству, этот ряд имеет размеры меньше, чем 10 футов (3,1 м) х 8,5 футов (2,6 м). Такой ряд является достаточно малым, что позволяет его разместить на многих видах грузовиков. Далее, при высоте ряда вместе со станиной менее, чем 3 фута (0,9 м), на одном грузовике можно разместить два уровня упомянутых рядов. Это позволило бы при чрезвычайных обстоятельствах быстро транспортировать на одном грузовике одновременно 60 упомянутых устройств, чтобы обеспечить посредством переработки загрязненной жидкости, потребность в питьевой воде, или для какого-либо другого использования. При непрерывной работе ожидаемая производительность устройств в упомянутом примере составляет 21,000 галлонов (79,000 л) очищенной воды в день. При этом устройство будет нуждаться в энергии, равной 48 НР (35,7 к№).

Вращение с высокой скоростью кожухов большого диаметра может создать проблемы балансировки устройства. В представленном изобретении рассмотрено использование автоматической балансировки кожухов внутреннего корпуса 50 в 2 плоскостях в реальном масштабе времени. Размещение двух или больше балансиров, которые могут двигаться по периферической окружности кожухов - является одним из способов балансирования системы. Чувствительные элементы для измерения баланса и контроля азимутального размещения балансиров в реальном масштабе времени позволяют поддерживать постоянное равновесие (баланс) системы и стабильность кожухов агрегата при нормальных условиях работы (с.20 оригинала, 2 абзац).

Поскольку из поступающей морской или загрязненной жидкости вода испаряется, соли или загрязняющие вещества остаются на испарительной поверхности (например, кожухов 40). По этой причине низкие температуры, при которых функционирует устройство по представленному изобретению, из-за недостаточности тепловой энергии не будут влечь за собой протекание загрязняющих химических реакций. Однако, некоторые загрязняющие вещества или соли могут иметь тенденцию собираться на поверхности парогенератора. В частности, поступающая на регенерацию загрязняющая жидкость может иметь большую или меньшую вязкость. Помимо этого протекающий процесс может сопровождаться выпариванием достаточно большого количества воды из загрязненной жидкости, в результате чего полученный отстой может стать более вязким. Соответственно этому, одно или более разбрызгивающих сопел высокого давления направляют загрязненную воду к каждой поверхности парогенератора соответствующих кожухов. На фиг. 1 показано одно такое разбрызгивающее сопло 320. Сопла могут быть постоянно направлены прицельно, или иметь компьютерное управление для их перемещения, при котором достигается прицельное импульсное разбрызгивание жидкости на противоположную стенку, поскольку эта стенка вращается перед соплами. Такое импульсное разбрызгивание способствует разрыхлению отстоя до такой степени, что центробежная сила переносит его налево и в концевую часть кожухов. На фиг. 1, сопло находится на левой стороне вращающихся кожухов, но оно может быть и на правой стороне. Может быть и альтернативный вариант, при котором одно единственное сопло высокого давления может перемещаться радиально по радиальной траектории на выходной стороне парогенератора вращающихся кожухов, и обеспечивает автоматическую чистку всех кожухов парогенератора.

Предполагается, что очищающие сопла будут функционировать при нормальных условиях работы. При желании, работа компрессора 220 может быть время от времени приостановлена, для прекращения поступления прибывающей парообразной жидкости. Поток прибывающей жидкости может также быть остановлен. Однако, вращение кожухов должно быть при этом продолжено. Разрыхленный отстой в этом случае течет от левой стороны кожухов и скапливается, так как описано выше. Малый гидравлический аккумулятор может при высоком давлении обеспечивать впрыскивание воды или импульсную ее подачу под высоким давлением соответственно поставленной задаче.

Хотя это не показано на фиг. 1, левая стенка парообразующей поверхности кожухов, такая как 40 и 32, может иметь короткую кольцевую перемычку на конце оси. Перемычка желательно должна быть несколько выше, чем планируемая толщина жидкой пленки. Предполагается, однако, что количество прибывающих потоков загрязненной жидкости может контролироваться таким образом, что оно может быть выпарено без потребности в перемычке.

Система может быть сконструирована таким образом, что вся уходящая или вытекающая жидкость может проходить через одну торцевую заглушку, либо входные и выходные отверстия могут быть разделены. Жидкость также может вытекать из вакуумной камеры через стенку 88 (фиг. 1).

-12005392

Из-за малого диаметра кожухов, представленных в конструкции на фиг. 1, кожухи могут быть образованы с использованием обычных формовочных методов. Кожухи из нержавеющей стали могут быть соединены торцевым сварным швом и иметь форму цилиндра, либо грани кожухов могут быть соединены под углом и иметь коническую форму. Цилиндрические кожухи могут быть экструдированы, а затем растянуты на оправке. Пластмассовые кожухи могут быть отлиты в требуемой для них форме. Еще одним методом изготовления кожухов в виде готовой детали является электроосаждение в восковых формах.

Большие кожухи, такие как, например, 5-футового диаметра (1,524 м), могут нуждаться в заводских методах изготовления, в целях экономии затрат.

Фиг. 15 и 16 иллюстрируют один из методов создания цилиндрических кожухов. Множество узких планок 402 и 410 образуют форму кожуха 400. Каждая планка имеет основную стенку 408, 416 и пару внутренних удлиненных перемычек стенок 404, 406, 412 и 414 (фиг. 16). Основные стенки 408 и 416 могут быть изогнуты, как показано на фигуре, или плоскими. Планки могут выдавливаться, сворачиваться или принимать другие формы, посредством использования различных методов металлообработки. Перемычки также усиливают прочность кожуха, которая может быть особенно важна для кожухов большого диаметра. Другая функция перемычек - пропуск жидкости продольно стенкам кожухов. Планки свариваются или цементируются совместно с перемычками. Это обусловлено необходимостью сохранения перепадов давления между испарительными и конденсационными камерами 36 и 38, для этого сварные швы должны быть герметизированы для устранения утечки давления. Лазерный, ТЮ или другой метод сварки может быть приемлемым, если с его помощью получают соединение с наибольшей прочностью и герметичностью.

Конструкция кожухов из планок позволяет изменять диаметр окружности кожуха, поскольку можно изменять количество планок. Таким образом, ширина каждой планки - 8₁. Высота каждой перемычки 8₂. Предположим, что 100 планок 402 и 410 формируют внешний кожух и предположим далее, что этот кожух имеет 5 футов (1,52 м) диаметр. Размер окружности кожуха, в этом случае будет равным 15,7 футам (4,8 м). Каждая планка должна иметь при этом ширину 0,155 футов или около 1,89 дюймов (4,72 см). Уменьшение размера окружности кожуха путем снижения количества образовывающих кожух планок на одну, привело бы к образованию окружности кожуха размером 15,5 футов (4,6 м) и диаметром в 4,95 футов (1,51 м). Таким образом, окружность кожуха с одной удаленной планкой может быть меньше на 0,11 футов (1,3 дюймов; 3,3 см). Свободное пространство (промежуток) между кожухами могло бы быть при этом половиной этого расстояния или равно приблизительно 0,7 дюймов (1,8 см). Поскольку кожухи становятся все более узкими, разность в диаметрах и, следовательно, размер промежутков между ними, изменяются. Планки различных размеров могут быть снабжены для кожухов запирающим устройством по отношению к оси вращения, для компенсирования этого изменения.

Как было показано в приведенном ранее примере, количество планок было принято для простоты вычисления равным 100. Количество планок и их ширина могут изменяться для обеспечения желаемого изменения промежутка между смежными кожухами. Вполне обоснованно, однако, ожидать, что, необязательно наличие планок и, в частности, наличие такого же самого количества планок слегка измененных размеров для каждого различного диаметра кожуха. Поперечины, такие как 404, 406, 412 и 414 (фиг. 16) могут быть обеспечены (другими средствами придания) дополнительной прочности.

Другие способы изготовления кожухов могут быть также рассмотрены. Можно изготавливать одну часть кожуха, разместив лист из нержавеющей стали, алюминия или другого соответствующего материала вокруг оправки и сварить грани вместе. Использование прокатного металла понизило бы затраты. Однако, из-за малой толщины материала, этот способ может оказаться трудно выполнимым, если кожух изготавливать должным образом.

Фиг. 17 показывает один из способов изготовления конических кожухов, когда такая форма кожуха является желательной. Лист 420 является нержавеющей сталью, алюминием или другим токопроводящим материалом и разрезан таким образом, чтобы получить показанный на фиг. 17 профиль. Размер профиля на фиг. 17 увеличен в целях лучшей демонстрации способа. Лист материала обернут вокруг конической оправки с гранями 422 и 424 состыкованными вместе и сваренными. Сваренный лист образует коническую или конусную форму. Степень конусности изменяется в зависимости от величины угла 426. Меньший угол конусности позволяет иметь более спокойное течение жидкости, чем больший угол.

Таким образом, в варианте конструкции, показанном на фиг.2, чистая вода собирается на правых боковых кожухах, а отстой накапливается на левой стороне. Поскольку поток чистой воды выше правого края кожуха, кинетическая энергия воды переносит ее в жёлоб для чистой воды 280. Центробежная сила удерживает чистую воду в пределах жёлоба. Клапан, (не показанный) на стенке жёлоба 280 позволяет потоку чистой воды вытечь из желоба, где он собирается вдоль днища 93 стенки камеры 92. Центробежная сила, действующая на жидкость в пределах жёлоба 180, побуждает чистую воду скапливаться, с последующим движением ее к выпускному отверстию 182 (фиг. 2). Насос 184 позволяет преодолеть перепад давлений между вакуумом в пределах резервуара 92 и давлением окружающей среды, и направляет чистую воду в выходному отверстию 188. Эта собранная вода является готовой для использования. Для управления выходом чистой воды может быть также использован клапан 186.

-13005392

Поскольку отстой переливается через левый край (фиг. 2) кожухов, его кинетическая энергия разбрызгивает отстой в желобе 190. Нагнетающие силы насоса 192 направляют отстой, через трубку к выходному отверстию. Выходное отверстие и насос являются стационарными, и не вращаются с кожухами. Выходное отверстие желоба разбрызгивает отстой в коллектор для насоса. Насос поддерживает повышенное давление в отстое и направляет его в выходное отверстие. Выкаченный отстой затем течет в коллектор выходных труб и выходных отверстий, где он и накапливается.

И чистая вода, и отстой собираются в своих соответствующих желобах. Клапаны, которые позволяют воде или отстою вытечь из желобов, управляются так, чтобы сохранить некоторый уровень воды или отстоя, чтобы сохранить вакуум в пределах устройства.

Фиг. 18 демонстрирует другой способ сбора чистой воды и отстоя. В этом исполнении морская вода или загрязненная жидкость поступают в устройство через входное отверстие 670. Трубы несут жидкость к инжекторам 686 и 688 (показаны схематично). Патрубки, которые подают жидкость во входное отверстие 670, не показаны на фиг. 18. Вода в испарительной камере (например, в камере 638) течет вдоль стенки 640 в тонкопленочном состоянии, где она и выпаривается. Пар затем переносится мимо вентилятора 690 в конденсационные камеры типа камеры 636. Чистая вода конденсируется и под воздействием центробежных сил радиально отбрасывается, вследствие чего она поступает на правую сторону кожухов. Заметим, что на показанном варианте устройства на фиг. 18 смежные конуса кожухов расположены в различных направлениях. При этом, левая сторона конденсационных камер (то есть, сторона выходного отверстия парогенератора) закрыта. В связи с этим, конденсат в этом варианте устройства течет направо.

Конденсат затем собирается в имеющем форму резервуара коллекторе 692. Коллектор в форме резервуара имеет корытообразный кольцевой ободок 694, который сбегает в наружном направлении и соединяется с трубой 672, до закругления ее вновь на участке, показанном на фиг. 18 под номером 674, рядом вокруг входного отверстия трубы 670. Внутренний резервуар 676 также не вращается. Это формирует водоток 678 между ним и корытообразным коллектором 676. Чистая вода с правой стороны вращающегося корпуса кожуха 650 перетекает с высокой скоростью к кольцеобразной части 694. Его кинетическая энергия направляет жидкость вперед вдоль желобка 678, откуда он затем втекает в выходное отверстие 671. Имеющий форму резервуара коллектор 640 является подобием имеющего форму резервуара коллектора 692, и он также накапливает отстой описанным выше способом. Следует заметить, что внутренний резервуар 642 на левой стороне фиг. 18 предусматривает возможность установки очищающих сопел на поверхности 646.

Фиг. 18 показывает также вариант возможной герметизации, особенно для больших элементов. Вращающийся внутренний кожух 650 имеет кольцевой ободок 652, окружающий входное отверстие 670 и выходное отверстие 671. Кольцевой ободок содержит вязкую жидкость 654. Кольцевая пластина 656 продлена за пределы зоны 672 имеющего форму резервуара коллектора 692, который простирается в сферу кольцевого ободка 652. Поскольку внутренний кожух 16 вращается при высоких скоростях, вязкая жидкость 654 создает плотную герметизацию, препятствуя проникновению воздуха.

Расчет поверхностной площади парогенератора и конденсатора. Для увеличения выхода регенерируемой устройством воды поверхностная площадь парогенератора и конденсатора должна быть как можно больше, но одновременно с этим себестоимость получаемой воды также должна быть экономически целесообразной. Выходной поток линейно пропорционален поверхностной площади парогенератора, как это показано в формуле (6). Уникальная особенность устройства регенерации воды по представленному изобретению заключается в том, что оно использует единую общую поверхность, которая с одной стороны принадлежит конденсатору, а с противоположной (обратной) стороны парогенератору. Эффективная герметизация и обеспечение высокой теплопередачи может быть достигнуто посредством конструирования парогенератора и конденсатора таким образом, чтобы концентрические кожухи имели малое пространство (промежутки) между ними и последовательно (по методу матрешек) располагались одно в другом с уменьшающимися радиусами в одном большом цилиндрическом контейнере. Такое конструктивное решение представляет собой с экономических позиций наиболее лучшее размещение парогенераторных и конденсаторных кожухов. Анализ, который представлен в последующем, касается расчета суммарной поверхностной площади кожухов, объединенных друг с другом парогенераторов и конденсаторов для одного варианта исполнения устройства по представленному изобретению. Этот расчет касается прогнозирования веса, стоимости устройства и технических характеристик выходного потока регенерированной жидкости.

В представленном изобретении рассмотрены три смежных концентрических кожуха, которые показаны на фиг. 1 под номерами 32, 34 и 40. Другой способ рассмотрения кожухов, состоит в том, чтобы представлять их в виде сдвоенной конструкции, включающей парогенераторный и конденсаторный кожух. Таким образом, устройство состоит из набора парогенераторных и конденсаторных кожухов. При этом один парогенераторный и смежный им конденсаторный кожух формирует групповую пару кожухов общей оси. Следующий парогенераторный и конденсаторный кожух, смежный с первоначальной парой, также формирует новую пару относительно той же самой оси.

-14005392

Как показано на фиг. 2 и 3, установленный радиальный интервал И К существует между каждым кожухом. Теоретически, интервал может изменяться, но опытный вариант устройства предусматривает фиксированный интервал. Следующие расчетные соотношения позволяют определить суммарную площадь парогенераторной и конденсаторной поверхности кожухов:

^Том1 = % =2λ£[^+^+^+...+ Λ_χ]»2χΖ|+ ХЛ |· /•1 I м ] (11)

В этом выражении N означает количество парогенераторных и конденсационных кожухов, которое определяется по формуле:

дг ₌ 12^—₊ (11а)

Это выражение имеет следующие значения:

Κι & Κ_Ν = внутренний и внешний радиусы кожухов (в футах)(11Ъ)

ИК = Расстояние между каждым кожухом (в дюймах)(11с)

К; = Радиус каждого кожуха ΐ (в футах)(114)

Б - Длина всех кожухов (в футах)(11е)

Проектирование устройства в целом, наличие общего расстояния ИК между каждым кожухом, минимизирует издержки производства и максимизирует производительность устройства. Существуют следующие соотношения между радиусом кожуха обозначения ί¹¹' кожуха и разделяющим кожухи пространством ИК:

(12)

Поэтому, исходя из вышеприведенных формул (11), (12), складывание радиусов кожухов дает следующее выражение:

(13)

Второе складывание слагаемых в формуле (13) выражается включением следующих членов:

(14)

В алгоритме этого суммирования, каждый внутренний - и наибольший внешний член складывается до Ν, и где (Ν-1) /2 является этим членом как показано ниже:

Поэтому, сумма, приведенная в формуле (14), будет нижеследующей:

(14а)

(15)

Замещение формул (13) и (15) на формулу (11) позволяет определить всю площадь парогенераторных и конденсаторных кожухов, которая равна:

(16) (17)

В этой формуле А_То1а1 = сумме всей площади поверхностей кожухов (футы в квадрате) (й²) (17а)

Κι = Наибольший внутренний радиус кожуха (в футах)(17Ъ)

Κ_Ν = Наибольший внешний радиус кожуха (в футах)(17с)

ИК = Расстояние между кожухами (в дюймах)(174)

N = Количество парогенераторных кожухов(17е)

-15005392

Вес парогенераторных и конденсаторных кожухов может быть определен исходя из их известной весовой плотности (масса), толщины кожуха ΐ и общей поверхностной площади А_То1а1. Вес может быть определен по нижеследующим формулам:

^вРла Ш

-«Рм-г (18) (19) (20)

В этих выражениях, р_8Ье11 = весовой плотности парогенераторных/конденсаторных кожухов (в 1Ь8/дюймах³) (фунтов/дюйм³) (20а)

Т = Толщина кожухов (в дюймах) (20Ь)

Энергетические требования. Как было показано ранее, источник энергии или теплоты, необходимый для парообразования и процесса конденсации, всецело зависит от возможностей испарительного компрессора 220. Устройство отрегулировано для условий работы приближающихся к кипению воды при давлении водяного пара, которое является соразмерным с температурой окружающей среды. Предлагаемый компрессор создает степень сжатия водяного пара приблизительно от 1,05 до 1,25, что соответствует кипению воды при температуре окружающей среды (-70°Р или 21°С) приблизительно 0,5 р81 (фунтов на квадратный дюйм или 0,035 кг/см²) или меньше. Следовательно, работа, выполняемая компрессором, очень мала. (См., например, Кеепап, ГН. и Кеуе8, Р.О., Термодинамические Свойства Пара ,1о11п №1еу & §оп8, 1936, с. 28-31).

Хотя Кеепап и Кеуе8 описывают технологический процесс, при котором давление создается посредством изменяющего объем силового гидроцилиндра, принцип сохранения энергии делает процесс общим и применимым ко всем видам компрессоров. Добавим также, что только входное и выходное термодинамическое состояние (давления) и специфический тип термодинамического процесса требуют прогнозирования энергетических потребностей устройства.

Начиная с первых положений, последующее описание изобретения представляет собой анализ, предъявляемый к мощности компрессора для осуществления процесса регенерации сточных и минерализованных вод. Это анализ расчетов выполненной компрессором работы с жидкостью, принимая во внимание, что процесс является адиабатическим, то есть, нет никакой другой тепловой энергии, полученной от втекающей или вытекающей жидкости, чем та, которая получена в результате работы по сжатию жидкости. Для каждого цикла компрессора относительное количество теплоты, перенесенной в компрессор и в окружающую его среду, в сравнении с количеством теплоты, перенесенной в жидкость, небольшое, причем с увеличением эффективности компрессора, оно уменьшается. Потери, связанные с недостаточной эффективностью компрессора являются результатом понижения ламинарного кинетического потока пара и увеличения турбулентного кинетического потока. Эти потери минимизированы по отношению к предложенному образцу компрессора. Однако потери, связанные с недостаточной эффективностью компрессора, могут, тем не менее, возникать до конечного результата определения приблизительных, полных энергетических требований для описываемого процесса регенерации.

В целом, работа или энергия, требуемая для сжатия газа в цилиндре в интервале Й8, может быть вычислена по формуле, принимая к сведению, что:

(21)

В этой формуле = работа или энергия сжатия (Й-1Ь8) (21а) ρ = давление газа (1Ь8/Г1²) (21Ь)

V = объем газа (ίΐ³) (21 с)

Индексы 1 и 2 в формуле (21) относятся к двум различным состояниям, то есть, входным и выходным объемам или положениям. Эти объемные состояния трансформируются в адиабатическое давление газа, определяемое законом преобразования. В этом случае, входное давление ρ₁ - является давлением пара над поверхностью кипящей жидкости р_в, в то время как выходное давление р₂ - давлением конденсирующего пара р_с. §еаг8 Р. и 8а1тдег, О. Ь., Термодинамическая, Кинетическая Теория, и Статистическая Термодинамика, изд. 3-е, Лск118оп-\Уе81еу 1975, стр. 108-109, описали основные формулы, связанные с этими процесами. Для адиабатических процессов начальные и конечные термодинамические состояния определяются следующим состоянием константы:

(22)

В этом выражении К - константа, которая может быть устранена, и γ -соотношение удельных теплоемкостей между константой давления и константой объема. В качестве единицы удельной теплоемкости

-16005392 используется - (ВТИ/(1Ь°Р)) (0,252 больших калорий/0,4536 кг°Р). Соотношение удельных теплоемкостей γ определяется нижеследующей формулой:

(23)

При этом удельные теплоемкости связаны с молекулярным весом газа следующей зависимостью: 1544

Я = 778.6( С_ - С_х) - „ „ _т—, _ь .

^р баз МЫзайаг (24)

В этом выражении В - универсальная газовая постоянная с единицами теплоты в виде (Р1-1Ьз/(°Р 1Ь)). Работа, выполненная компрессором в отношении жидкости, может быть определена посредством интегральных расчетов, приведенных в формуле (21). Заменяя формулу (22) на формулу (21) и путем последующих упрощений получаем нижеследующую зависимость:

(25)

Единицы работы в формуле (25) приведены в Ватт-часах с константой перевода множителя С^, который равен: СР = Постоянное преобразование в Ватт-часы = (746/(550 х 3600)). (25а)

Расчет требуемой энергии на фунт дистиллированной воды полученной при использовании устройства, полезен для установления энергетической эффективности термодинамического процесса при работе компрессора. Стандартные единицы приведены в ватт-часах на фунт Рг/1Ь). Этот расчет может быть выполнен первым определением коэффициента энергетических затрат, который является производной по времени в формуле (25). В период непрерывного движения потока, входящее и выходящее давления находятся в условиях установившегося состояния. Следовательно, временной переменной является только объем входящего У_ь расхода жидкости. Отсюда, формула расчета определяется нижеследующим выражением:

(26)

В этом выражении - мощность (ватты), необходимая для сжатия пара.

Теперь * может быть рассчитана исходя из массы жидкости и плотности пара над поверхностью кипения. Это позволяет сопоставить энергетические требования парогенератора по отношению к массе выходящей регенерированной жидкости. Исследование узлов устройства позволило выявить следующее соотношение:

(27)

Где = объемный расход пара над поверхностью кипения (футы³/ч)(27а) = массовый расход испарившейся жидкости (1Ь8/Рг), отраженный в формуле (20) (27Ь) ρ₁ = плотность пара над кипящей жидкостью (1Ьз/Нг)(27с)

д.100

Энергетические расходы на фунт регенерируемой воды ^р ' для идеально эффективного устройства (Л'*) определяются выражением·

Подставляя формулу (27) в формулу (26), ожидаемая идеальная «энергетическая плотность» становится равной:

(28)

Неэффективные потери пара компрессором и подсистемами двигателя увеличивают фактическую энергетическую плотность. Если эти объединенные неэффективные потери равны ξ , тогда фактическая энергетическая плотность будет:

(29)

-17005392

Соотношение удельных теплоемкостей требует определить энергетическую плотность. Формула (24) является полезной, чтобы устранить из формулы 23 удельную теплоемкость в постоянном объеме, поскольку только удельная теплоемкость при постоянном давлении является измеримой величиной. Замена формулы (24) на формулу (23) отражена нижеследующим выражением:

^С&4 · ' Т№М.Мт (30)

В этом выражении Мк - молекулярный вес (фунты/грамм-молекула), который для воды или водяного пара равен 18.

Обе предшествующие формулы являются зависимыми как от температуры, так и от давления, поэтому оптимальный термодинамический цикл - это комплексный цикл, поддающийся, однако, определению, с учетом зависимости от специфического типа жидкости, температуры окружающей среды, давления, и загрязняющих веществ в жидкости.

Для оценки требуемого потребления энергии на фунт регенерируемой воды, в ходе этого процесса, были выполнены расчеты, с использованием формулы (28) для эффективного сжатия пара компрессором и подсистемами двигателя. На фиг. 28 показана диаграмма результатов этих расчетов.

Выполненные расчеты с использованием формулы (28) подразумевают воздействие температуры, влияющей на плотность пара, удельную теплоемкость пара и входное и выходное состояние давления пара. Это воздействие не в прямой форме отражено в формуле. Однако в процессе расчетов для точного построения кривой, была использована пятая степень многочленов, включая эти непосредственные температурные зависимости.

На фиг. 28, давление в парогенераторе показано как р[ или р_в и давление в конденсаторе как р₂ или р_с. Несколько групп соотношений давления (р₂/р₁) показаны для сравнения. Приведенные соотношения давления не прямо очевидны, однако, успешная работа парогенератора и конденсатора возможна при разности температур, равной 4°Б (2°С) или меньше. Рассмотрев диаграмму, показанную на фиг. 29, мы можем оценить температуру водяного пара над поверхностью кипения, в частности, значения температур соответствуют здесь определенным значениям давления.

На фиг. 29 видно, что для сжатия газа необходимо увеличение работы, поскольку его плотность увеличивается с увеличением давления, что обусловлено общей тенденцией для семейства кривых, иллюстрирующих константы соотношений давления. Нельзя назвать очевидным в прямой форме, что давление в конденсаторе увеличивается быстрее, чем давление в парогенераторе с увеличением в нем давления. Однако на самом деле это так. Поэтому, разность (перепад) давлений Ар между парогенератором и конденсатором должна увеличиваться для констант соотношений давления при увеличении давления в парогенераторе. Следовательно, давление в конденсаторе увеличивается быстрее, чем давление в парогенераторе. Таким образом, более быстрое увеличение давления в конденсаторе приводит к увеличению плотности в нем пара. Результатом этого является небольшое увеличение производимой компрессором работы для увеличения давления в парогенераторе, необходимого для поддержания установленных соотношений давления.

Семейство (группа) кривых, показанных на фиг. 29, имеет уменьшающуюся зависимость давления от производимой работы, в то время как температура в парогенераторе увеличивается. Поскольку температура в парогенераторе и конденсаторе возрастает для поддержания установленных температурных перепадов ΛΤ, соотношение давлений (р₂/р₁) уменьшается (см. фиг. 28). Точно так же с увеличением температуры уменьшается плотность пара. Поэтому для сжатия газа требуется несколько меньшее количество производимой работы.

Как упоминалось ранее, уменьшение эффективности двигателя и компрессора фактически определяется энергетической плотностью устройства (см. формулу 29). Фиг. 30 показывает типовой расчет энергетической плотности устройства для широкого диапазона потерь эффективности и для нескольких различных термодинамических циклов, имеющих переменную разность температур между парогенератором и конденсатором ΔΤ.

Данные, использованные для фиг. 30, являются энергетическими значениями плотности, соответствующие температуре парогенератора 70°Б (21 °С) без учета непроизводительных потерь. Большие электрические двигатели работают с коэффициентом полезного действия (КПД) в пределах от 93 до 95%. Поэтому, КПД, равное 94%, является вполне обоснованным ξ_Μ двигателя. Аналогично этому компрессоры реактивного самолета имеют КПД от 85 до 90 % или более. Таким образом с учетом запаса прочности ожидаемый КПД компрессора ξ_С можно принять равным 85%. В связи с этим общая комбинированная эффективность устройства будет равна или больше приводимой ниже величины:

ξ=ξмξс =(94%)(85%) = 80% (31).

Данные, приводимые на фиг. 30, представляют окончательную ожидаемую потребность устройства в энергозатратах, на фунт регенерированной воды с допущением, что непроизводительные потери тепла

-18005392 также используются. Они могут использоваться эффективно с применением соответствующих теплообменников для понижения потребности в энергии, даже больше чем требуется.

Повышение минерализации морской воды вызывает увеличение температуры кипения по сравнению с обессоленной водой при одних и тех же самых условиях давления и температуры. Это увеличение можно вычислить в точке кипения, используя линейную зависимость, предложенную РаЬизз и ΚοΓΟδί для определения увеличения точки кипения морской воды различной минерализации. См., например, Ноше, Ε.Ό., «Основные принципы опреснения воды», Магсе1 Эеккег, 1пс, 1974, стр. 30, где описаны линейные зависимости между увеличением точки кипения и концентрацией солей в воде. Фиг. 31 и фиг. 32 показывают графические взаимоотношения между увеличением точки кипения в сравнении со степенью минерализации морской воды, в том числе при различной температуре насыщения. Так, например, при температуре окружающей среды, равной 75°Р (24°С), трехкратное увеличение концентрации солей приводит к небольшому увеличению температуры кипения по сравнению с температурой 2°Р (1°С). Это увеличение температуры кипения является причиной потребности в дополнительной энергии для опреснения концентрированных солевых растворов по сравнению с обессоленной водой.

Затраты электроэнергии, необходимые для реализации представленного изобретения, могут быть рассчитаны, с учетом того, что основным источником потребления энергии является мощность компрессора. Устройство также требует дополнительного небольшого количества энергии для ускорения вращения жидкости в кожухах парогенератора/конденсатора, которая ориентировочно будет приблизительно равна 0,2 Ш Πτδ/ΙΠ.

Электрическая мощность, получаемая от солнечной энергии, дизельных и других генераторов хорошо удовлетворяет требованиям приведения в действие предложенного устройства регенерации загрязненной воды. Получение вспомогательной электрической энергии является полезной, стоимость на акрфут регенерированной воды может быть рассчитана посредством следующей простой зависимости:

_(₽«! (_С У ( £5 7¹^^ Υ 8.3454/6ΐΗ«ί«· 7325,851

ЛсгеГооГ^-' Η_ί__ (₁₀₀Д ^_//ол Д АсгеГоос ) (32а) или $

Асге Εοοί = (£')(С,)(27.194).

(32Ь) ~ ~

Один акр-фут = 1.23 х 10 л. В этом выражении ^р > является энергетической плотностью устройства (фиг.2) в Ватт-часах на фунт и С_с- стоимость электроэнергии, где издержки на ее потребление даны в центах на киловатт-час.

В других подобных применениях, таких как разделение токсичных отходов на химическом предприятии, очистка воды от загрязняющих веществ, имеют место намного более высокие затраты на единицу получаемой продукции чем при использовании обычных устройств опреснения воды. Для таких специфических применений малые устройства могут быть более рентабельными, чем большие. Малые устройства требуют более низких капитальных затрат, даже при том, что их работа требует несколько больших затрат энергии.

Эксплуатационные значения являются функцией суммарных экономических показателей. Показатели (коэффициенты) использования включают потребность пользователей в объемах расходуемой жид кости во взаимосвязи со стоимостью энергии в долларах, указанные пользователем ограничения размера устройства и стоимость капитального оборудования.

Нижеследующий анализ подводит итог теоретически предсказанных, рабочих величин характеристик теплопередачи, вытекающих из малой ΔΤ разности температур между парогенератором и конденсатором, по отношению к тонкопленочному состоянию жидкости при больших центробежных силах д. Эти силы, в свою очередь, обусловливают эффективность передачи тепла. Другими словами более высокие значения д (до или больше чем 1000 д) позволяют достичь намного более высоких коэффициентов переноса теплоты. Следовательно, суммарная площадь поверхности парогенератора может быть значительно уменьшена. Это упрощает производственные процедуры и делает их менее дорогими. Соответственно, общее количество кожухов и общий вес устройства можно понизить, что также позволяет достичь более высоких коэффициентов переноса теплоты. Устройство достигает этих преимуществ из-за более высоких вращательных нагрузок д при тонкопленочном состоянии кипящей жидкости.

Общая зависимость, которая описывает коэффициент переноса теплоты при кипении жидкости в двух емкостях и зарождающихся режимах кипения, базируется на работе Ко^епош (См., например, Руководство по Прикладному Тепловому Проекту, Епс С. Оиуег, главный редактор, МсОгаш Н111 1989, стр. 1-79). Оиуег ссылается на первоначальную работу Ко^епош выполненную в 1952 году, и в которой использованы зависимости, полученные на основе экспериментальных данных. Зависимость, усовершенствованная Ко^епош, имеет следующий общий вид:

-19005392

(34) (33) где переменные определены, как дано ниже с типичными диапазонами для численных значений, представленных для внешних входных температур, равных 70°Е:

И_В = коэффициент переноса теплоты при кипении жидкости (150-15 000 (ВТи/(Иг й²°Е)), μ = динамическая вязкость жидкости (2,33 (1Ь/(Ег й)), ΔΙι_Κι = теплота испаряемой воды (1054,3 (ВТи/1Ь)), ΔΤ_8ΑΤ = разность температуры насыщения (2-10 (°Е)) σ, = С_иР№ = -ί—= Вращательное Ускорение (64 - 32 200 (й/зес²)) * 2\30>1 □ = диаметр кожуха (от 0.5 до 5 (й));

N = скорость вращения (от 50 до 2500 (оборотов в минуту)); Р_в = весовая плотность жидкости (62,3 (1Ь/й³)); Ро = весовая плотность Пара (1,15 х 10^-3 (1Ь/й³)); ддгау= вес по отношению к преобразованной массе (32,2 (й/зес²)); σ = поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-пар (4,97 х 10^-3 (1Ь/й)); С_РЙ = удельная теплоемкость жидкости (0,998 (ВТИ/(1Ь°Р));

С_8Р = экспериментальная константа материала (0,0058 к 0,013 (безразмерная величина));

₌ = критерий Прандтля (6,64 (безразмерная величина)) = экспонента константы (1,0 для воды и 1,7 для всех других жидкостей (безразмерная величина)).

Формула (33) представляет собой ожидаемый коэффициент переноса теплоты при кипении жидкости в условиях отсутствия принудительного ее перемешивания. Принудительное перемешивание, обычно увеличивает значение скорости теплопередачи кипящей жидкости на порядок, если разность температур ΔΤ ниже 15°Р (8°С) (см., например, МсАбатз, У'.11._ Теплопередача, МсОга^ Н111, 3-е издание, 1954, с. 378). Пленочная жидкость перемещается вдоль поверхности парогенератора (с вертикальной составляющей силы тяжести в зависимости от ориентации кожуха). Перемещение жидкости также усиливается, вследствие увеличения продольного давления, которое индуцирует вращательное усилие. Этот смешанный вид переноса теплопередачи усиливает скорость теплопередачи кипящей жидкостью даже больше, чем можно ее ожидать при расчетах по прогнозной формуле (33).

Результаты расчетов теплопередачи при кипении. Фиг. 19-24 иллюстрируют ряд общих тенденций вычислений, которые могут иметь место в условиях вращения д'з на увеличение теплопередачи при кипении жидкости. Эти фигуры имеют одинаковую трехмерную поверхность и одинаковую двухмерную часть диаграмм для двух различных состояний материала поверхности парогенератора и трех различных подводимых температур окружающей среды. Некоторые из фигур показывают усиленный режим теплопередачи парогенератором с увеличенным вращением д для шероховатой, покрытой тефлоном поверхности РТРЕ, на стальном нержавеющем кожухе при подводимой температуре окружающей среды 70°Е, 90°Е и 110°Е. В этой серии расчетов использовались характеристики материала, коэффициент которых был определен эмпирическим методом и принят С_8Р = 0,0058 для шероховатых тефлоновых покрытий на нержавеющей стали (см., Оиуег, с. 1-79). Когда вместо полированной нержавеющей стали используются шероховатые тефлоновые покрытия на нержавеющей стали, то происходит 262%-ое увеличение теплопередачи при кипении. Вторая серия расчетов иллюстрирует соответствующие результаты для различной поверхности парогенератора, а именно только для полированной нержавеющей стали. Здесь, характеристика коэффициента (шероховатости) поверхности является равной С_8Р = 0,0080. Конструктивно, эксплуатационные качества полированной нержавеющей стали понижаются по сравнению с нержавеющей сталью с шероховатым тефлоновым покрытием, поскольку, шероховатое тефлоновое покрытие обеспечивает существенно большее образование зарождающихся центров кипения. Характеристики увлажненной поверхности улучшаются у тефлоновых покрытий.

Заметим, что, как только увеличивается температуры окружающей среды, коэффициент переноса теплоты при кипении увеличивается для тех же самых разностей температур и того же самого вращения д'з. С позиций физики это обусловлено тем, что теплота парообразования понижается с увеличением температуры. В связи с этим к кипящей жидкости передается больше тепловой энергии при одной и той же разности температур ΔΤ.

Диаграммы показывают определенные преимущества эксплуатации устройства при использовании в условиях повышенной температуры окружающей среды. Однако для выполнения этого условия требуется, чтобы поступающая, загрязненная жидкость предварительно нагревалась, что связано с дополнительными затратами энергии. Конечно, если загрязненная жидкость поступает напрямую с промышленного производства, она может иметь повышенную температуру. При высоких температурах устройство может использовать дополнительный внешний набор теплообменников для восстановления некоторой увеличенной энтальпии, вынесенной с очищенной и отработанной морской водой. Этот подход может

-20005392 быть выгоден для некоторых применений, где требуется очень малого размера капитальное оборудование и энергетические затраты менее важны.

Усиление скорости теплопередачи при кипении. Один из способов или решения задачи увеличения теплопередачи при кипении имеет целью увеличение шероховатости поверхности стенок парогенератора. Например, должно быть предусмотрено использование подобных гранулам тонких тефлоновых покрытий на поверхностях кипения. Это обеспечивает зарождение большого множества точечных центров кипения на материале, который, как правило, не имеет смачивающуюся поверхность. Это усиливает образование пузырьков пара, которые немедленно радиально поднимаются из внутреннего пленочного слоя под воздействием высокого поверхностного давления, индуцированного д-силами. Эти значительные д силы обеспечивают высокую выталкивающую силу для микропузырьков пара в высокой области д и способствуют увеличению микроконвекционных течений. Достижение этих высоких индуцированных коэффициентов теплопередачи является невозможным для стационарных устройств в 1-д среде. Несколько литературных источников показывают, что воздействие только одного, способного к смачиванию покрытия увеличивает коэффициент теплопередачи до 300 %. (см., Кгейй, Р., Принципы Теплопередачи, 1п1егпа1юпа1 ТехЛоок Со., 2-е издание, 1968, с. 441-445; и Сиуег, с. 1-79).

Использование анодируемого алюминия с тефлоновым покрытием стенок парогенератора является другой возможностью. Во-первых, алюминий понижает тангенциальное напряжение пропорционально плотности материала и плотности алюминия в соотношении примерно - 1/3 по отношению к нержавеющей стали. Следовательно, тангенциальное напряжение уменьшается с 7600 ρκί при 850 д приблизительно до 2525 ρκΐ для не поддающегося коррозии алюминия. Алюминий также имеет очень высокую удельную теплопроводность по сравнению с нержавеющий сталью. В частности, удельная теплопроводность алюминия составляет, примерно 120 (БТи/(йг й°Р)), тогда как у нержавеющей стали это значение составляет приблизительною (ВТи/(йг й°Р)). Значение высокой удельной теплопроводности в стеновом материале становится больше, когда коэффициенты переноса теплоты, вследствие парообразования и конденсации становятся меньше технических ограничений.

Высокая скорость парообразования (от 50 до нескольких сотен футов в секунду) в отдельно взятом парогенераторе и конденсаторных кожухах усиливают структуру теплопередачи парогенератором. Развертка тонкого слоя загрязненной жидкости вдоль поверхности стенок парогенератора является механизмом такого усиления. Такая развертка жидкости создает турбулентность, которая при принудительной конвекции помогает передать тепло пара к поверхности раздела «жидкость-пар».

Усиленная конвекция благодаря гравитационно-индуцируемому высокому давлению впрыскиваемой морской воды или загрязненной жидкости также улучшает условия теплопередачи парогенератором. Жидкость, перемещающаяся вдоль поверхности стенок парогенератора, перемещает также ее застойные области и, таким образом, значительно усиливает конвекционные силы и соответственно характеристики теплопередачи. Площадь проходного канала кольцевого парогенератора в устройстве может быть изменена, для достижения усиления скорости пара с увеличением принудительной конвекции вдоль осевого направления. Продольные сегментные перегородки, размещенные между парогенератором и зоной проходных каналов конденсаторных кожухов в различных азимутальных местоположениях, также могут за счет конвективных механизмов на поверхностях парогенератора усилить пузырчатый режим кипения и улучшить каплеобразную конденсацию на поверхностях конденсации.

Коэффициенты переноса теплоты конденсации и оптимизации. Коэффициенты переноса теплоты при конденсации обычно более высоки, чем коэффициенты переноса теплоты при кипении жидкости. Следовательно, конденсаторы требуют меньшей площади конденсации, чем парогенераторы. Согласно Сиуег, типичные значения диапазона пленочной конденсации чистого пара лежат в пределах от 1000 до 5000 (ВТи/(йг й^2оР)), а каплеобразная конденсация чистого пара лежит в пределах от 10000 до 50000 (ВТи/ (кг й^2оР)). К сожалению, теплота конденсации обычно не достигает значений каплеобразной конденсации, исключая особые условия, да и тогда, только в отношении уменьшенной доли поверхности конденсации. Причиной неудачи в достижении каплеобразной конденсации является несрабатывание механизма удаления конденсата. В результате конденсат формирует на поверхности конденсации пленочный слой, который изолирует поверхность от воздействия на нее, находящегося при более высокой температуре пара.

СоШег, 1. С., Конвективное Кипение и Конденсация, МсСгач Н111 2-е издание, 1981, стр. 366-369, описывает три различных способа увеличения коэффициента переноса теплоты при конденсации. При первом, понижают энергию поверхностного натяжения конденсата, что изменяет поверхностную конфигурацию, которая может увеличить доступную для конденсации зону или способствовать более быстрому перемещению конденсата. Второй способ заключается в специальной обработке поверхности конденсации, что способствует больше каплеобразной, чем пленочной конденсации. Третий способ заключается в создании не смачивающейся поверхности, что понижает силы поверхностного натяжения. В этих трех способах использовались: а) химическая обработка поверхности, которая действует, как активатор, Ь) полимерные покрытия с образованием не смачиваемой поверхности, подобно тефлону, и с) нанесение гальваническим способом способствующих не смачиваемости покрытий из благородных металлов. При

-21005392 последнем варианте, силовые поля могут эффективно удалять конденсат с поверхности конденсации, освобождая, таким образом, первичное место для увеличения переноса теплоты оставшимся паром.

Для дальнейшего повышения коэффициентов переноса теплоты при конденсации, желательно, чтобы поток пара не врезался в поверхность конденсации. В противном случае, это приведет к нарастанию покрытой пленкой поверхности. См., например, 81идег, К.М. и РгескзЬо!, С.А.. Конденсация пара во вращающемся горизонтальном цилиндре, труды Института теплопередачи и гидроаэромеханики, июнь 1963 г. Устранить разные относительные скорости пара над контактной поверхностью конденсатора можно путем вставления разделяющих продольных пластиковых трубок в конденсаторные камеры. Эти трубки делят поток пара на отдельные отсеки, направляя его в каналы и придавая тангенциальную скорость конденсируемой жидкости. Такие разделенные отсеки помогают передать конденсату угловой момент импульса, под воздействием которого силы д немедленно удаляют конденсат с поверхности конденсации.

Кроме того, снижение относительной скорости между паром и конденсатом позволяет минимизировать воздействующие на конденсат силы аэродинамического сопротивления. Межфазные силы между конденсатом и поверхностью конденсации устраняются, если имеется пластиковый элемент, ускоряющий конденсацию. В этом случае, ускоряется перенос конденсата к месту, где его центробежная сила намного больше сил поверхностного натяжения. Следовательно, конденсат немедленно удаляется в капельножидком состоянии. Базирующаяся на эмпирической зависимости, развитой позднее 81идег и РгескзЬо!, скорость переноса тепла, равная от 5000 до 15000 (ВТи/(Ьг й^2оР)) может быть достигнута при умеренно низких скоростях вращения.

Устройство горизонтальных (осевых) царапин на поверхности конденсации также может увеличить коэффициент переноса теплоты конденсатором. Добавление царапин, при разворачивании листового материала парогенератора в процессе его изготовления, вполне выполнимо. Царапины снижают площадь контактной смоченной поверхности для сконденсированных капель. Следовательно, капельки не прилипают друг к другу на поверхности конденсации при высоких д вращения. Этот метод может снизить нарастание сил поверхностного натяжения для пленочной конденсации, в результате чего силы д могут легко преодолеть влияние сил поверхностного натяжения. Соответственно, этот метод может в очень высокой степени способствовать каплеобразной конденсации, при которой достигаются чрезвычайно высокие коэффициенты переноса конденсационной теплоты, чего не могут достигнуть, например стационарные устройства (без вращения поверхностей испарения и конденсации).

Как упоминалось ранее, продольные сегментные перегородки, размещенные между парогенератором и проходной зоной конденсаторных кожухов, могут усилить каплеобразную конденсацию. Перегородки непрерывно придают угловой импульс жидкому конденсату. Этот импульс ускоряет каплеобразную конденсацию, капли увеличиваются в размере до тех пор, пока их вес не преодолеет силы поверхностного натяжения, и образовавшийся конденсат не будет отброшен от поверхности конденсации. Сегментные перегородки также придают структурную ригидность конструкции кожуха в целом.

Сегментные перегородки могут быть сделаны из гибких пластиковых труб, закупоренных с каждого конца, и заполненных посредством, например, иглы для подкожных впрыскиваний сжатым газом или легкой жидкостью через волнистый резиновый фитинг. Перегородки не могут перемещаться в азимутальных направлениях, вследствие разреженного давления между кожухами и воздействия вращательных д сил, заставляющих их прилегать к внешнему кожуху.

Прочность кожуха парогенератора - общий обзор. Высокие скорости вращения индуцируют напряжения кожуха под влиянием его собственного веса и веса, воздействующей на кожух, вращающейся жидкости. Вычисления показывают, что обычные значения напряжения очень низки (от 7,5 к§1 до 12 к§1) даже до 1000 д'з. Итоговые диаграммы на фиг. 25 и 26 описывают давление вращения, действующее на кожух в зависимости от веса жидкости для различной толщины жидкостной пленки. Эти значения давления используют для расчетов полного, воздействующего на кожухи напряжения.

Ожидается, что значения толщины пленки при высоких скоростях вращения д и обычных режимах работы будут ниже 0,015 дюймов (0,38 мм). Толщина пленки зависит от скорости вращения, интенсивности нагнетания жидкости и высоты любой перемычки парогенератора, закрывающей концевую часть испарительных камер. Вращательные силы д, естественно, утончают жидкостную пленку, и самые высокие величины теплопередачи, очевидным образом, наблюдаются, когда толщина пленки имеет минимальные значения. Разумеется, что при этом должен быть достигнут полный охват всей поверхности парогенератора. Для использования в обессоливании (опреснении), увеличение выхода рассольных отходов не является проблемой.

Соответственно, интенсивное нагнетание жидкости максимизирует выход питьевой воды для любого данного состояния мощности компрессора. Слишком тонкий слой пленки может привести к образованию сухих участков, и, соответственно, понизить выход чистой воды. С другой стороны, слишком большая толщина пленки может понизить интенсивность теплопередачи и уменьшить выход потока чистой воды. Микропроцессор с контуром управления обратной связью может автоматически корректировать нужное состояние пленки. При оптимальной схеме контур управления способен корректировать частоту

-22005392 впрыскивания жидкости при любой вращательной нагрузке д, что позволяет максимизировать выход чистой воды.

Фиг. 25 и 26 показывают расчетное напряжение, деформацию и вращение д'з на внешнем кольце конденсатора - парогенератора при диаметре кожуха, равном 5 футов (1,5 м). Диаграммы показывают, что индуцированные тангенциальные напряжения на внешнем кожухе, (внутренние кожухи имеют более низкие напряжения), благодаря высоким скоростям вращения, ничтожно малы по сравнению с обычно принимаемым при расчетах максимально допустимым напряжением для стального нержавеющего кожуха толщиной 0,015 дюймов (0,38 мм). Фиг. 26 показывает, что даже при дополнительной нагрузке жидкостной пленкой (толщина этой пленки принята равной 0,070 дюймов (1,8 мм), что намного превышает ее ожидаемую величину), переносимые кожухом максимальные касательные напряжения (которые встречаются на внутренней поверхности кожуха) легко переносятся в пределах, принятых для устройства допустимых ограничений. Радиальное увеличение кожуха является также очень малым в сравнении с максимальным увеличением и составляет только около 2 мил (0,001 дюйма, 0,025 мм) для внешнего 5футового диаметра. См., например, диаграмму на фиг. 26.

Была также исследована требуемая общая площадь различного количества кожухов при различных между ними промежутках (зазорах) по отношению к гипотетическому устройству шириной в 5 футов и длиной 6 футов (1,5 м х 1,8 м). В ходе расчетов определяли ожидаемый вес парогенераторных и конденсаторных кожухов для этих конфигураций. Диаграмма этого веса отражает половину общего веса кожухов в модульном устройстве. В данной схеме для парогенераторной / конденсаторной камеры требуется дополнительный разделительный кожух между каждым парогенератором. Поэтому, общий вес всех кожухов будет вдвое больше тех величин, которые представлены в диаграммах веса. Следовательно, представленные диаграммы веса представляют собой только общий вес кожухов парогенератора.

С ожидаемым увеличением значений теплопередачи, вследствие более высоких скоростей вращения д, общая площадь поверхности, а отсюда и потребный вес кожухов значительно уменьшатся в сравнении с первоначально запроектированными для них величинами. Общее необходимое количество кожухов для производимой водной продукции также значительно уменьшится. Это уменьшит производственные затраты.

Серия выполненных расчетов отражает суммарную площадь поверхности парогенератора и его вес при различных промежутках между кожухами. См. диаграмму расчетных значений на фиг. 27. Внутренний радиальный кожух допускает иметь расчетный диаметр и дополнительные кожухи, окружающие внутренний кожух с указанными между ними промежутками, максимум до 5 футов в диаметре, как это предложено для возможного демонстрационного модуля. Неровный контур в этих сериях диаграмм указывает эффективный радиус (дискретно вычисленный), при котором суммарная площадь поверхности ниже этого радиуса соответствует суммарной вышеприведённой площади. Эти кривые предусматривают измерение приблизительного диаметра, при котором установленный коэффициент переноса теплоты мог бы быть вычислен, и быть применимым для всех кожухов. Поскольку теплопередача увеличивается с возрастанием значений д, расчетные значения для эффективного диаметра дают консервативные результаты для устройства в целом.

Есть множество особенностей и отличительных признаков представленного устройства, которые резюмированы ниже, что позволяет считать его превосходящим по отношению к другим технологическим процессам и устройствам.________________________________________________________

Характеристика устройства	Предложенное устройство	Стандартные дистилляторы	Обратно осмотические установки
Первоначальные капиталовложения	Низкие	Высокие	Средние
Расходы на хозяйственнотехническое обслуживание	Низкие	Средние	Высокие
Эксплуатационные расходы	Низкие	Средние	Высокие
Требования к размеру оборудования	Небольшие	25 χ на данную систему	2 х на данную систему
Размеры оборудования	Малые	Большие	Средние
Энергетические затраты	Низкие	Высокие	Средние
Самооочистка	Автоматическая	Удовлетворительная	Трудная
Управление общей минерализацией воды	Гибкое	Удовлетворительное	Трудное
Бактерии, металлы, лоны	Свободный пироген	Незначительное	Трудное

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство регенерации воды, содержащее

   а) корпус;

   б) по меньшей мере три обособленно-раздельных концентрично расположенных цилиндрических кожуха в пределах корпуса, вращающегося относительно оси вращения, при этом по меньшей мере три кожуха включают внутренний, наиболее близкий к оси вращения кожух, внешний, наиболее отдаленный от оси вращения кожух и средний кожух, расположенный между внутренним и внешним кожухами, причем эти кожухи образуют две камеры, причем внутренняя камера, образованная внутренним кожухом и средним кожухом, представляет собой парогенератор, а внешняя камера, образованная средним кожухом и внешним кожухом, представляет собой конденсатор пара;

   в) компрессор, имеющий сторону низкого давления и сторону высокого давления, при этом сторона низкого давления сообщается с внутренней камерой и уменьшает давление в ней, а сторона высокого давления сообщается с внешней камерой;

   г) инжектор, обеспечивающий подачу жидкости от источника жидкости во внутреннюю камеру, при этом внешняя камера снабжена выпускным отверстием для удаления потока жидкости, а внутри корпуса установлен коллектор для сбора жидкости, поступающей из выпускного отверстия внешней камеры.
2. 2. Устройство по п.1, содержащее трубу, сообщающуюся с источником жидкости, множество трубчатых элементов, сообщающихся с трубой и получающих жидкость из этой трубы, причем по меньшей мере часть трубчатых элементов прилегает ко внутренней камере, при этом инжектор установлен на трубчатом элементе в месте прилегания трубчатого элемента к внутренней камере.
3. 3. Устройство по п.1, в котором компрессор является вентилятором, поворачивающимся вокруг оси вращения кожухов.
4. 4. Устройство по п.3, в котором, по меньшей мере, имеется три концентрических кожуха, соответствующие торцы которых лежат в одной плоскости, причем по меньшей мере часть вентилятора расположена между двумя такими плоскостями.
5. 5. Устройство по п.3, включающее в себя установленный после вентилятора желоб.