IT201800020632A1

IT201800020632A1 - Depuratore d'acqua

Info

Publication number: IT201800020632A1
Application number: IT102018000020632A
Authority: IT
Inventors: Stefano Oppo
Original assignee: Stefano Oppo
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-21
Also published as: WO2020128902A1

Description

DEPURATORE DI ACQUA AD ENERGIA SOLARE ED EOLICA”

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo tecnico dei depuratori di acqua.

STATO DELL’ARTE

Con il presente progetto si intende brevettare un nuovo macchinario idoneo a produrre acqua pura e potabile discostandosi dai tradizionali metodi. Normalmente infatti il processo di produzione si avvale di metodi chimici e batteriologici, ed utilizza quasi esclusivamente l'acqua piovana. L'invenzione in oggetto è innovativa in quanto in grado di produrre acqua pura e potabile anche e direttamente utilizzando l'acqua marina ed evitando la necessità di smaltimento del sale risultante.

Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno maggiormente chiari dalla seguente descrizione dettagliata, data in forma esemplificativa e non limitativa e illustrata nelle allegate figure in cui:

Fig. 1 illustra una vista prospettica in scala 1:40 di una realizzazione preferita della presente invenzione; fig.

2 illustra una prima vista in sezione laterale in scala 1:50 di una realizzazione preferita della presente invenzione;

DESCRIZIONE SOMMARIA DELL’INVENZIONE

La presente invenzione è concepita per realizzare un sistema per la depurazione dell’acqua. In un primo aspetto, la presente invenzione è relativa ad un sistema per la depurazione dell’acqua secondo la rivendicazione 1.

La presente invenzione scaturisce infatti dalla considerazione generale secondo la quale il problema tecnico sopra evidenziato può essere risolto in modo efficace ed affidabile mediante un sistema per la depurazione dell’acqua che comprende una struttura tridimensionale (prisma) costituita da una pluralità di lastre (materiale plastico trasparente, vetro, pannelli fotovoltaici, o altro materiale atto a favorire l’innalzamento termico allinterno della struttura) collegate ermeticamente tra loro in modo da lasciare uno spazio aperto in corrispondenza della sua porzione inferiore, in cui detta struttura è atta ad essere posizionata sulla superficie dell’acqua del mare, di un lago o di un bacino idrico artificiale , in modo che la superfìcie dell’acqua su cui è posizionata detta struttura contribuisca a rendere chiusa ermeticamente la struttura stessa. La presente invenzione utilizza i principi dell'ebollizione e della vaporizzazione integrati per lo scopo prefissato. L’invenzione, inoltre, fa uso sia dell’energia raccolta dall'irradiazione amplificata del sole, sia di energia raccolta da un ulteriore fonte esterna.

Il sistema per la depurazione dell’acqua della presente invenzione è caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre:

almeno una fonte di calore, associata a detta struttura tridimensionale (prisma), posta in corrispondenza della superficie e sotto il pelo d’acqua di detto bacino d’acqua (dove per bacino d’acqua si intende sia un bacino d’acqua artificiale che uno specchio d’acqua appartenente alla superfice di un lago o del mare), detta fonte di calore essendo in grado di riscaldare la porzione d' acqua ad essa circostante genera una corrispondente quantità di vapore acqueo portando ad ebollizione l’acqua;

almeno un condotto - ad esempio un tubo - preferibilmente munito di almeno una valvola, detto condotto essendo atto a mettere in comunicazione detto vapore acqueo con una fonte di aria fredda in modo da trasformare detto vapore acqueo in acqua purificata;

almeno un serbatoio per l’accumulo dell’acqua purificata prodotta;

almeno un sistema di lenti poste sulla parte esposta al sole;

nessun sistema di pompaggio per portare l’acqua da trattare;

la possibilità di abbassare il livello del liquido all'interno del prisma rispetto al livello esterno dello stesso liquido mediante l’aumento della pressione del volume d’aria in detto prisma.

Ciò viene ottenuto unendo varie lastre - di vetro, elementi plastici trasparenti, pannelli fotovoltaici o altro materiale - come nella esemplificativa descrizione seguente, ed appoggiando il suddetto manufatto sulla superficie liquida in maniera tale da chiudere ermeticamente tutto il manufatto, così da costituire sostanzialmente un forno solare.

Secondo una forma di realizzazione preferita, detta struttura tridimensionale comprende inoltre ulteriori lastre poste al di sotto della superficie dell’acqua che rappresentano una sorta di prosecuzione della struttura tridimensionale stessa sott’acqua.

In tale forma di realizzazione, immediatamente al di sotto della superfìcie dell’acqua, sono poste delle resistenze elettriche tali da far giungere rapidamente ad ebollizione l'acqua, il cui vapore viene convogliato mediante un tubo verso una sorgente di aria fredda così da essere ritrasformato in acqua distillata, a sua volta poi accumulata in apposito serbatoio per l'utilizzo e la distribuzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

In una realizzazione preferita, il manufatto secondo la presente invenzione è costruito su un ingombro in pianta di una striscia d’acqua avente una larghezza di 5 metri ed una lunghezza di circa 5 metri. A puro titolo esemplificativo e non limitativo, che lo specchio d’acqua sia dato da una porzione di superficie del mare. La struttura portante risulta in acciaio, ed è costituita da putrelle e pilastri. Completano la sua realizzazione materiali in vetroresina; vetro/materiale plastico trasparente; pannelli fotovoltaici trasparenti; componenti elettrici, elettronici e idraulici. Il manufatto in esempio consiste in un prisma assemblato a filo d'acqua, in cui un piano rettangolare — fig.1, y1 - è il piano dell'acqua del mare; un secondo piano — fig-1, y2 -, sempre rettangolare, ortogonale al primo e un terzo piano — fig.1, y3 - anch'esso rettangolare unisce le estremità dei piani anzidetti per formare un prisma; i due piani laterali sono anch'essi chiusi a forma trapezoidale. Dei piani obliqui, rispetto alla superficie del liquido, che continuano dentro detto liquido - fig. 1 e 2. tali da restringere l’ingresso dell’acqua formando un piano rettangolare, più piccolo, sotto la superficie del liquido da dove l’acqua (ad esempio di mare) entra nel volume del prisma, in maniera autonoma non necessitando di nessun sistema di pompaggio, per essere trattata fig. 1 e 2 - y8. Analizzando la figura 2 rileveremo che in sezione detta struttura tridimensionale assume la forma composta da un trapezio (nella parte quasi totalmente immersa nell’acqua) e da un riangolo rettangolo, nella sua parte superiore, dove i cateti misurano 5 metri di lunghezza per un’altezza di 1.65 metri circa. Il cateto più lungo — fig.2, y1 — è quasi coincidente con il piano dell'acqua mentre quello più corto — fig.2, y2 - è ortogonale al piano del mare e si alza verso il cielo a nord. L'ipotenusa — fìg.2, y3 - è rivolta verso il sole unendo con una pendenza del 25 % circa i due cateti. Questa ipotenusa poggia ad una struttura rigida formata da pilastri e travi in acciaio ancorata al fondo marino. L'ipotenusa è rigorosamente in materiale trasparente, vetro/materiale plastico trasparente ovvero pannelli fotovoltaici di ultima generazione trasparenti. L'irraggiamento del sole sulla superficie trasparente appena citata crea un effetto serra tra la lastra in questione e la superficie del mare.

Il cateto più corto - piano rettangolare -, quello che andando verso l'alto crea un lato di 1.65 metri -fìgg. 1 e 2, y2 - prosegue per doppia lunghezza circa anche dentro l'acqua formando con essa un angolo di 30 gradi - potrebbe anche ridursi a 20 gradi - per dirigersi sotto il cateto più lungo ed è fatto dello stesso materiale - vetroresina colorata di nero - figg. 1 e 2, y4 - formando quindi un piano rettangolare immerso nel mare - fig.1 , y4. Lo stesso pannello - piano rettangolare - prosegue anche verso l'alto sorpassando il cateto di 1.65 metri fuori dal mare fig.2, yl - per pari misura ma con un materiale e orientamento differente, arrivando quindi a complessivi 3.30 metri fuori acqua. Questultima parte, di ulteriori metri 1.65 - figg.2 e 3, y5 - è di specchio rifrangente - fig.1 : specchio - ed è regolabile con una piccola rotazione della base. Questo specchio rifrangente si sviluppa per tutta la larghezza del prisma. L'opposta estremità dell'ipotenusa, quella che sfiora l'acqua a sud, si appoggia anch’essa a rigida struttura in acciaio - putrelle - ma chiude la superficie del mare con un pannello in vetroresina nero - figg.1 , 2, y4 - immerso nell'acqua per circa 3 metri, e ruotato nella sua posizione ortogonale all'acqua di 60/80 gradi verso finterno dell'ipotenusa, dando origine quindi ad un altro piano di forma rettangolare - fig.1, y4.

Con il manufatto in oggetto si vuole costruire, con l'ausilio di resistenze elettriche - tipo quelle degli scalda-acqua domestici - poste a filo d'acqua, un forno che raggiunga nel suo interno temperature superiori ai 100 gradi centigradi. Nella parte alta dell'ipotenusa in questione, rivolta verso nord, la struttura di appoggio del manufatto è composta da pali pilastri ancorati saldamente al fondo marino. Uno di tali pali in acciaio si alza verso il cielo per consentire la posa di una pala eolica, per produrre energia al fabbisogno dell'acqua. Alla base di questo palo è fissato un serbatoio — fig2, x3 - per la raccolta dell'acqua. Quest'ultimo ha la forma tubolare. E raccordato da tre tubi: il primo è un tubo che dalla parte alta del serbatoio porta aria verso l'esterno — figg. 2, x2. Infatti questo si innalza dal serbatoio, immerso nel mare, fino alla fine del palo di sostegno per il sistema eolico. Il secondo tubo — fìgg. 2, x4 - parte sempre dalla parte alta del serbatoio e arriva fin dentro al volume del prisma triangolare retto che funge da forno per l'evaporazione per l'acqua. Questo tubo ha il compito di portare il vapore nel serbatoio per trasformarlo nuovamente in acqua distillata. Il terzo tubo — fig.2, x5 - è posizionato all'inizio e alla fine del serbatoio, cioè nelle due estremità, e pesca l'acqua prodotta dalla parte più bassa del serbatoio per trasferirla. Sul piano del prisma a contatto con il mare, visto in sezione come il cateto più lungo, di circa 5 metri a pelo d'acqua in progetto — fig.2, y1 - è posta una griglia formata da resistenze tipo scaldacqua da bagno posizionate parallele l'una con l'altra trasversalmente e unite alle due estremità da due verghe longitudinali che si uniscono alla struttura rigida di sostegno in modo da tenere le resistenze a pelo d'acqua, e sono atti ad essere riscaldati ad alte temperature con un sistema di lenti. Tali resistenze si riscaldano fino a superare i 100 gradi centigradi e sono distanziate tra loro di 0.20/0.30 metri e sono colorate di nero. Ovviamente le due estremità del manufatto sono chiuse da pannelli trasparenti di forma trapezoidale fìg.2, y6 - dall'ipotenusa citata scendono ortogonalmente dentro la superficie dell'acqua con un immersione di circa 2 metri al fine di contenere la pressione dell'aria dentro il prisma. I pannelli appena citati — fìg.2, y6 - sono di forma trapezoidale in quanto la naturale forma triangolare per chiudere il prisma è stata allungata al fine di immergerne una ulteriore parte dentro l'acqua. Detto volume tra l'ipotenusa e la superficie dell'acqua - prisma -, funzionante come un forno solare assistito, deve essere isolato e sigillato per avere le caratteristiche di una grande pentola a pressione avente come unica via di sfogo i tubi — fìg.2, x4 - che da sotto il livello dell’acqua raccordano il serbatoio cilindrico per la raccolta del vapore acqueo - che lì dentro si trasforma in acqua pura - e il già citato prisma formato a pelo d'acqua con l'ipotenusa in questione - piano inclinato - e i cateti -piano dell’acqua e piano ortogonale all’acqua, i piani ortogonali e obliqui immersi nell’acqua. I tubi di raccordo citati possono essere dotati di valvole. Come abbiamo già detto, questa struttura tridimensionale, che funziona da pentola a pressione, non ha il fondo in quanto detto fondo è la superfice dello specchio d’acqua citato. Detta superficie, dello specchio d’acqua, può anche essere abbassata dal suo naturale livello per il principio del bicchiere rovesciato e immerso nel liquido il quale non permette all’acqua di entrare all’interno per la presenza di un volume d’aria e il livello di detta acqua/aria è regolato dalla pressione concessa. Detta struttura tridimensionale non ha nessun sistema di pompaggio per portare l’acqua da trattare in quanto il liquido entra autonomamente dallo spazio aperto nella sua porzione inferiore.

Il progetto in questione si basa sui principi dei forni solari che sono sempre stati utilizzati per la produzione di energia termica in usi prevalentemente alimentari. Con la presente invenzione si è pensato di cumulare con il calore prodotto dai forni solari l'energia eolica, o altra fonte energetica, così da ottenere il calore necessario a produrre acqua depurata. Nel presente progetto questo fenomeno viene sfruttato integrando le energie anzidette anche direttamente in mare. Le esigenze del progetto dettano però tempi brevi per la produzione dell'acqua pura in grandi quantità. Per questo motivo è necessario elevare la temperatura dell'acqua del primo strato nel forno - si parla di profondità minime dal volume d'aria all'interno del prisma (3 centimetri circa) - intorno ai 100 gradi centigradi a mezzo di resistenze elettriche tipo quelle poste all'interno degli scalda-acqua domestici. Dette resistenze vengono poste a pelo d'acqua lungo il piano del prisma che è appunto la superficie del mare/acqua e seguono la direzione dell'inclinazione del piano inclinato del 25% che chiude dall'alto il prisma forno. Le resistenze sono poste parallelamente l'una con l'altra ad una distanza di circa 0.20/0.30 metri ed unite alle estremità con verga ortogonale affiorante dall’acqua atto ad essere riscaldato ad alte temperature a mezzo di lenti (fig. 1 e 2 - y7. Per le resistenze è previsto al centro di ognuna un galleggiante in ferro che le mantenga in superficie immerse nell'acqua un paio centimetri. Queste resistenze tengono l'acqua del primo centimetro di profondità ad una temperatura tra i 90 gradi e i 100 gradi centigradi. Il compito delle resistenze è quello di portare la temperatura dell'acqua del mare da circa 20 gradi centigradi alla temperatura citata. A questo punto è facile per il forno solare a temperatura di circa solamente 150 gradi centigradi permettere il processo di vaporizzazione in tempi brevissimi, grazie soprattutto al sistema di lenti che aiutano ad aumentare in maniera consistente la temperatura di lavoro delle resistenze, limitando la richiesta di energia elettrica. Il vapore acqueo prodotto così in tempi brevi cercherà una via di fuga verso l'aria fredda e si incanalerà quindi dentro i tubi che da un serbatoio posto ben sotto il livello del mare arrivano fin dentro il prisma forno solare per raccogliere l'acqua allo stato gassoso dalle bocchette di aspirazione. Il serbatoio a sua volta ha un altro tubo che dalla parte alta si eleva fuori dal mare in direzione ortogonale a questo fino a cento metri di altezza per cercare aria più fredda che a creare correnti di aspirazione per l'acqua gassosa proveniente dalle bocchette citate poste nel forno solare. Il vapore acqueo o acqua gassosa una volta giunto alfinterno del serbatoio passa repentinamente da una temperatura di circa 100 gradi ad una di circa 25 gradi centigradi. Questo passaggio improvviso tra queste due temperature trasforma l'acqua allo stato di vapore all'interno del citato serbatoio nuovamente in acqua liquida purificata.

Con riferimento al presente brevetto é stata eseguita una valutazione quantitativa allo scopo di verificare la quantità di acqua distillata prodotta in un arco di tempo pari ad una giornata (24 ore). Tale valutazione calcola l’energia necessaria per portare un m3 d’acqua alla temperatura di 20 °C ad uno stato di vapore d’acqua alla temperatura di 100 °C. Come si vede dal calcolo sottostante il valore risulta pari a 2.57 GJ. Tale valore si riferisce ad un sistema isolato che quindi non scambia energia e materia con l' esterno. Per quanto riguarda l’energia, tale situazione può considerarsi sostanzialmente verificata. Infatti l’effetto serra prodotto dalla struttura che realizza il forno solare permette di mantenere la temperatura del vapore d’acqua almeno a 100 °C. La stima nel brevetto prevede una temperatura in realtà ben superiore (circa 150-200 °C) rendendo quindi il calcolo eseguito conservativo. Per quanto riguarda lo scambio di materia, la struttura si può considerare quasi chiusa e consente un limitato ingresso di acqua a temperatura ambiente attraverso la parte inferiore della struttura stessa. Tale acqua essendo più fredda tenderà a rimanere sul fondo della struttura non azionando quindi moti convettivi. L’acqua riscaldata a 100 °C in superficie risente quindi in maniera molto limitata di questo scambio ed in prima approssimazione risulta lecito assumere, al fine esclusivo dei calcoli, il sistema come quasi chiuso. In conclusione, l’assunzione di considerare il sistema come quasi isolato risulta pertanto ragionevole. Per quanto riguarda la potenza necessaria, questa chiaramente dipende dal numero di ore giornaliere durante le quali l’effetto serra può essere sfruttato. Prendendo come riferimento una durata di 6 ore di insolazione media nella costa meridionale della Sardegna, la potenza necessaria risulta essere di 120 kW. Pertanto utilizzando una pala eolica con una potenza di 8 MW si produrrebbero oltre 100 m3 di acqua distillata al giorno. Le restanti 18 ore il sistema eolico può quindi erogare l’energia prodotta per altre lavorazioni. Si riporta qui la valutazione energetica sull’evaporazione dell’acqua.

λev = 2230 J/g (calore latente evaporazione acqua)

Cv = 4.186 J/gK (calore specifico acqua)

E (per lg di H2O) = (4.186 J/K x 80 K) 2230 J = 2.57 kJ

E ( per 1 m3 di H2O) = 2.57 x 106 kJ = 2.57 GJ

Per effetto del forno solare citato il consumo di energia appena esposto è diminuito del 20% circa. Se si vuole diminuire ulteriormente il consumo energetico di detto calcolo anzi nominato, le resistenze, poste a pelo d’acqua (immediatamente sotto la superficie del liquido), sono unite tra loro, sia a nord che a sud, da un profilo dello stesso colore e materiale costruito a forma approssimativa di una V molto aperta con un angolo al suo interno tra 90 e 120 gradi. Detto profilo ha una gambetta posizionata in modo da unire le resistenze tra loro percorrendo la struttura trasversalmente e rimanendo alla stessa quota del liquido, ma un paio di centimetri più in alto L’altra gambetta è poggiata al pannello nero che chiude il forno solare. Questo profilo è atto a essere riscaldato ad alte temperature, 2000 gradi c., a mezzo di piccole, ma potentissime, lenti che con la loro focale concentrano i raggi solari sul profilo a V citato (fig. 1 e 2- y7 e y9).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la depurazione dell’acqua comprendente una struttura tridimensionale costituita da una pluralità di lastre collegate ermeticamente tra loro a formare delle pareti in modo che detta struttura sia fornita di almeno uno spazio aperto in corrispondenza della sua porzione inferiore, detta struttura essendo atta ad essere posizionata sulla superficie dell’acqua di una porzione di mare o di lago o di un bacino d’acqua artificiale in modo che la superficie dell’acqua su cui è posizionata detta struttura contribuisca a rendere ermeticamente chiusa la struttura stessa, caratterizzato dal fatto di comprendere: almeno una fonte di calore atta ad essere posizionata, in uso, sotto il pelo dell’acqua all’inteno di detta struttura tridimensionale, in grado di riscaldare la porzione d’acqua ad essa circostante e di generare una corrispondente quantità di vapore acqueo; almeno un condotto atto a mettere in comunicazione detto vapore acqueo con una fonte di aria fredda in modo da trasformare detto vapore acqueo in acqua purificata; almeno un serbatoio per l’accumulo di detta acqua purificata; almeno un sistema di lenti posizionato sulla parte esposta al sole atto a riscaldare detta almeno una fonte di calore; il mezzo per portare l’acqua da depurare in detta struttura tridimensionale - prisma- è costituito esclusivamente da detto spazio aperto nella parte inferiore di detta struttura tridimensionale.
2. Sistema per la depurazione dell’acqua secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fonte di calore è associata a opportuni mezzi di alimentazione; 3.
Sistema per la depurazione dell’acqua secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che dette lastre sono realizzate di materiale scelto nel gruppo comprendente materiale plastico trasparente, vetro, pannelli fotovoltaici; 4.
Sistema per la depurazione dell’acqua secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta fonte di calore è costituita da almeno una resistenza elettrica; 5.
Sistema per la depurazione dell’acqua secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un elemento di sostegno per detta struttura tridimensionale, il cui detto elemento di sostegno è ancorato al fondo di detto specchio d’acqua del mare ovvero bacino d’acqua, oppure è ancorato ad una superficie di appoggio adeguata posizionala ad una certa profondità di detto corpo d’acqua; 6.
Sistema per la depurazione dell’acqua secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto almeno un condotto comprende un tubo di aspirazione collegato a detto serbatoio e a detta fonte di aria fredda.
Sistema per la depurazione dell’acqua secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detto tubo di aspirazione comprende almeno una valvola.
8. Sistema per la depurazione dell’acqua secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la pressione atmosferica all’ interno di detta struttura tridimensionale può essere modificata a piacere;
9. Sistema per la depurazione dell’acqua secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta struttura tridimensionale comprende ulteriori lastre atte a rimanere immerse al di sotto della superficie dell’acqua quando detto sistema è in opera, dette ulteriori lastre costituendo una prosecuzione di detta struttura sotto il pelo dell’acqua e lasciano un piano aperto in basso che permette all’acqua di entrare e chiudere ermeticamente detta struttura tridimensionale;
10. Metodo per la depurazione dell’acqua comprendente le fasi di: - fornire una struttura tridimensionale costituita da una pluralità di lastre collegate tra loro a formare delle pareti in modo che detta struttura sia fornita di almeno uno spazio aperto in corrispondenza della sua porzione inferiore; - posizionare la struttura tridimensionale sulla superficie dell’acqua da purificare contenuta in uno specchio d’acqua di mare ovvero un bacino d’acqua, in modo che la superficie dell'acqua su cui è posizionata detta struttura contribuisca a rendere ermeticamente chiusa la struttura stessa; - portare l’acqua da purificare nella struttura tridimensionale mediante detta fase di posizionare detta struttura sulla superficie dell’acqua da purificare, solo per mezzo di detto spazio aperto di detta struttura; - fornire almeno una fonte di calore posizionata sotto il pelo dell’acqua da purificare; - riscaldare la porzione di acqua circostante almeno con una detta fonte di calore e generare una corrispondente quantità di vapore acqueo; - mettere in comunicazione detto vapore acqueo con una fonte di aria fredda in modo da trasformare detto vapore acqueo in acqua purificata; - accumulare detta acqua purificata.