PT970018E

PT970018E - Instalacao para a dessalinizacao ou purificacao de agua do mar ou agua salobra por meio de energia solar

Info

Publication number: PT970018E
Application number: PT98907748T
Authority: PT
Inventors: Johannes Markopulos
Original assignee: Johannes Markopulos
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2001-12-28
Also published as: ATA41797A; IL131714A0; ES2158668T3; US6165326A; JP2001514573A; DE59800965D1; AU6601998A; CA2282507A1; HK1026191A1; WO1998040313A1; AT404467B; EP0970018A1; CN1250426A; EP0970018B1; CN1108993C; ATE202766T1; GR3036708T3; AU728428B2

Description

86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ

DESCRTCÃO “Instalação para a dessalinização ou purificação de água do mar ou água salobra por meio de energia solar” O presente invento refere-se a uma instalação para a dessalinização ou purificação de água do mar ou água salobra por meio de energia solar, com: um circuito fechado composto por um colector solar térmico e um permutador térmico, circulando neste circuito um meio portador térmico; um tanque, o qual é alimentado com a água do mar ou água salobra a ser tratada, no qual se encontra instalado o permutador térmico para o aquecimento e evaporação da mesma; uma superfície de refrigeração, a qual está situada acima do tanque para a condensação do vapor ascendente; e colectores de água, os quais estão instalados sob zonas parciais da superfície de refrigeração para recolher a água de condensação. É do conhecimento que em certas ilhas do Mediterrâneo bem como outros territórios existe escassez de água potável. Este problema é solucionado provisoriamente ou através do transporte de água potável do continente ou através de diversos processos com elevado dispêndio energético (por exemplo dessalinização da água do mar por meio do método da inversão da pressão osmótica). Uma outra possibilidade clássica é o aquecimento directo da água do mar dentro de um tanque por meio do sol, isto é, através de uma placa de vidro ou uma película transparente, a qual simultaneamente serve de cobertura, em que a evaporação e a recolha da água de condensação são efectuadas com a mesma cobertura de vidro. O último estado da arte deste tipo de dessalinização é apresentado pelas US 4 235 679 bem como pela US 4 343 683, a US 4 525 242 e a DE 43 21 192. Além disso, a WO-A-80/00077 publica uma instalação para a evaporação da água por meio de energia solar, na qual ό colèctor solar pode estar instalado a uma certa distância e sob a superfície de refrigeração.

Estas possibilidades clássicas ou necessitam de muita energia ou têm, no que se refere aos métodos que funcionam com energia solar, um rendimento muito reduzido dado que, nas construções conhecidas, por um lado a mesma cobertura (placa de vidro), a qual é aquecida pelo sol, também serve de superfície de refrigeração, por outro lado ocorrem perdas muito elevadas de água evaporada. Além disso, estes métodos não podem satisfazer a necessidade do consumo dado que os mesmos estão associados a uma capacidade limitada. 2 86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ Ο invento tem por isso como objectivo o de desenvolver uma instalação para a dessalinização ou purificação de água do mar ou água salobra, a qual tem um rendimento essencialmente mais elevado do que as soluções já conhecidas, e isto com uma mínima necessidade de espaço.

Este objectivo é atingido com uma instalação do tipo inicialmente mencionado e a qual se caracteriza por: o colector solar estar instalado a uma certa distância relativamente à superfície de refrigeração, e sob a mesma, e fazendo sombra a esta última; a superfície de refrigeração ser fabricada por um material condutor térmico; e por o intervalo que permanece entre a superfície de refrigeração e o colector solar estar acessível a um escoamento lateral do ar ambiente.

Desta forma, o espaço conseguido por meio de uma montagem sobreposta do colector solar e da superfície de refrigeração é aproveitado simultaneamente para fazer sombra e com isso refrescar a superfície de refrigeração, em que a livre circulação do escoamento no intervalo entre o colector solar e a superfície de refrigeração aumenta substancialmente o arrefecimento desta última. Em comparação com as construções conhecidas, a instalação de acordo com o invento atinge com a mesma ocupação de espaço um rendimento substancialmente mais elevado.

Numa concretização preferível do invento para instalações nas quais o colector solar está inclinado relativamente ao plano horizontal, a superfície de refrigeração é proporcionada com uma inclinação mais acentuada que o colector solar, de modo que o intervalo mencionado se estreita em forma de bico no sentido ascendente. Desta forma,;a circulação do ar através do mencionado intervalo é consideravelmente aumentada tal como ainda se irá explicar em pormenor mais adiante.

De preferência, está previsto que o espaço entre o tanque e a superfície de refrigeração possa ser fechado por todos os lados e posto sob baixa pressão por meio de uma bomba de vácuo para aumentar a evaporação.

Num outro aperfeiçoamento, a superfície de refrigeração, vista no seu corte vertical, tem uma forma ondulada e os colectores de água são configurados como calhas colectoras que se desenvolvem numa certa distância sob a concavidade da ondulação, ou como uma fina rede contínua revestida. 3 86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ Ε particularmente favorável que ο tanque, visto em corte vertical, tenha uma forma em cunha que se estreita para baixo. Por meio desta construção cm forma dc cone ocorre um movimento circular com cada entrada de escoamento de água do mar ou água salobra para dentro do tanque, o qual promove a sedimentação de resíduos no fundo do tanque. É especialmente vantajoso quando é proporcionada no fundo do tanque um parafuso transportador que conduz a um transportador de corrente de alcatruzes para a remoção dos resíduos como a salmoura ou similar.

Quando a instalação for utilizada em especial para a dessalinização de água do mar, existe uma outra concretização preferível do invento para a situação em que o tanque está situado substancialmente ao nível do mar, encontrando-se ligado ao mar através de uma ligação de tubos que é atravessada pelo escoamento quando a maré está cheia e esvaziando-se com a maré baixa. Desta forma, podem ser aproveitadas a maré baixa e a maré cheia para estabelecer um ciclo de alimentação automática por carga.

Em alternativa, o tanque pode ser alimentado através de uma bomba de alimentação intercalada na ligação de tubos a partir de um reservatório de água do mar ou água salobra, por exemplo um poço na margem.

Devido ao elevado rendimento da instalação pode-se, num outro aperfeiçoamento do invento, intercalar no circuito fechado entre o colector solar e o permutador térmico um absorvedor para o funcionamento de um armazém frigorífico ou uma turbina a vapor para o funcionamento de um gerador, os quais, de preferência nos períodos de uma radiação solar mais fraca, podem ser transpostos com auxílio de um comutador de desvio. ,

Adicionalmente, também podem ser proporcionados painéis fotovoltaicos para o funcionamento de elementos da instalação a serem alimentados por energia eléctrica, de -r-modo que toda a instalação seja auto-suficiente.

De acordo com uma outra concretização do invento particularmente favorável, pode proporcionar-se que a ligação de tubos, antes de desembocar no tanque, seja conduzida através de um outro permutador térmico, o qual está disposto numa relação termo condutora relativamente à superfície de refrigeração. Desta forma a superfície de refrigeração, devido à baixa temperatura inicial da água do mar ou água salobra a ser tratada, pode ser ainda mais

86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ 4 arrefecida e simultaneamente pré-aquecida de modo que o rendimento da instalação ainda pode ser aumentado. O invento é explicado seguidamente em pormenor com base num exemplo de concretização representado nos desenhos. Os desenhos mostram: na fíg. 1 a instalação de acordo com o invento numa vista frontal parcialmente cortada; na fíg. 2 um corte horizontal através da instalação da fíg. 1 na direcção da linha de corte B-B da fíg. 1; na fíg. 3 um corte vertical através da instalação da fíg. 1 na direcção da linha A-A da fíg-1; na fíg. 4 um corte transversal parcial através da superfície de refrigeração de acordo com o pormenor X da fíg. 3; na fíg. 5 um corte vertical através de uma segunda concretização da instalação análoga à representada na fíg. 3; e na fíg. 6 um diagrama em bloco do circuito do meio portador térmico da instalação da fíg. 5.

As Figs. 1-4 mostram uma primeira concretização da instalação do invento, isto é, na variante com a intercalação adicional de um absorvedor 5 para o funcionamento de um armazém frigorífico 15. Um colector solar térmico 2 aquece para aproximadamente 200°C um meio portador especial para esta variante (por exemplo um tipo de óleo mineral), que se encontra no circuito fechado. O meio portador é conduzido a um absorvedor 5 que proporciona a produção de frio no armazém frigorífico 15. Em seguida, o meio portador arrefecido até aproximadamente cerca de 90 a 100°C, devido à perda de energia no absorvedor 5, é conduzido a um permutador térmico 6 que se encontra na metade inferior de um tanque 11 cheio de água do mar. Após outro arrefecimento adicional do meio portador no permutador térmico 6 através da compensação da temperatura até à temperatura da água no tanque, a qual com a admissão de água fresca do mar através de uma ligação de tubos 4 do tanque 11 ao mar perfaz aproximadamente 20°C, e após a interrupção da admissão de água, o mesmo é aquecido pela compensação das temperaturas até aproximadamente cerca de 60 a 70°C, proporcionando uma bomba de vácuo rotativa 7 o fecho do circuito de modo que o meio portador arrefecido seja recirculado para o colector solar térmico 2. A água do mar que se encontra no tanque 11 é evaporada por meio do aquecimento contínuo. Devido à convecção natural, segundo a qual as camadas de ar quente são mais leves e ascendem para cima, as camadas de ar enriquecidas (saturadas) com água doce são 5 ΕΡ Ο 970 018/ΡΤ conduzidas para uma superfície de refrigeração 3 composta por um metal resistente à ferrugem (por exemplo alumínio) com forma ondulada e condensam ali. Com a respectiva acumulação dc água dc condensação formam-sc gotas dc água as quais, devido à inclinação das ondulações da superfície de refrigeração (vide pormenor X fig. 4), escorrem para as concavidades da ondulação gotejando para baixo. Estas gotas são recolhidas em colectores de água 13, feitos de matéria sintética (para evitar um processo de enferrujamento, dado que a água de condensação é muito rica em oxigénio), e conduzidas através de goteiras para o tanque de água doce 12 contíguo.

Devido à evaporação contínua de água do mar no tanque 11, a água do mar residual é enriquecida (saturada) com sal e, após alguns dias, forma-se no fundo do tanque 11 uma salmoura 8. Esta salmoura 8 deve ser removida periodicamente conforme a necessidade (por exemplo durante o período de maré cheia, para que o espaço livre produzido pela remoção da salmoura possa ser reabastecido). A salmoura 8 é transportada com auxilio de um parafuso transportador 9 montado no fundo do tanque 11 de água do mar para um transportador de corrente de alcatruzes 10 instalado ao lado do tanque 11 de água do mar, e através do transportador de corrente de alcatruzes 10, o qual está equipado com um dispositivo para gotejamento, é trazida à superfície, onde a mesma é depositada por meio de pequenos contentores em recipientes rasos (não representados no desenho) ao ar livre para secagem. Deste modo produz-se sal na instalação como subproduto, o qual pode ser vendido no mercado livre. O tanque 11 é uma construção em forma de cone, de modo que o afluxo da água do mar a cada admissão de água do mar provoca um movimento circular na água do tanque, o qual serve para a purificação, aliás acumulação da salmoura 8 no fundo do tanque. As dimensões do tanque 11 para a água1 do mar devem' ser determinadas segundo as necessidades, devendo a relação da altura a com a largura b ser descobertas de forma empírica através de ensaios. A ligação de tubos 4 do tanque 11 ao mar aberto termina no lado interior do tanque 11 na superfície horizontal inclinada. A outra extremidade do revestimento de tubo 4 encontra-se dobrada para baixo no mar aberto, isto é, pelo menos 200 cm afastada da margem, e submerge sempre (também no ponto mais baixo da superfície do mar durante a maré baixa) pelo menos 50 cm para dentro da água. Desta forma evita-se que entrem no tanque de água do mar por um lado sedimentos flutuantes e por outro lado areias. O carregamento do tanque 11 com água do mar efectua-se “automaticamente”. O mesmo inicia-se no momento em que a maré cheia atinge a aresta inferior da parte horizontal da 6 86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ ligação de tubos 4 e termina no momento em que a maré baixa atinge praticamente a mesma aresta da parte horizontal da ligação de tubos 4, pelo que entra ar pelo lado do tanque 11 de água do mar para dentro do tubo 4, sendo interrompido o efeito de sifão. É necessária uma interrupção da admissão da água do mar para que a água no tanque 11 possa atingir, aliás manter, por um período mais prolongado, as temperaturas necessárias para uma evaporação. Como as camadas de água mais quentes estão substancialmente à superfície da água, as mesmas são ligeiramente arrefecidas com cada admissão de água fresca e, por isso, o processo de evaporação é reduzido, aliás interrompido.

Antes da entrada da manga da ligação de tubos 4 no mar aberto é estendida uma rede fina para que não entrem peixes para o interior do tanque 11. Além disso, a ligação de tubos está equipada com uma torneira de fecho 14 para que no inverno, e durante a irradiação solar mais fraca, a admissão de água do mar possa ser interrompida para limpar a fundo o tanque e o equipamento de máquinas dos diversos microorganismos do mar bem como outros sedimentos, o quais se podem formar com temperaturas mais elevadas.

Optou-se por uma disposição de colector solar térmico 2 em relação à superfície de refrigeração 3 de tal forma que o mesmo está orientado de preferência para o ocidente (zona do Mediterrâneo). O colector solar 2 é estruturado como uma cobertura da superfície de refrigeração 3, acessível e fortemente isolada para o lado inferior. O espaço entre o colector solar 2 e a superfície de refrigeração 3 está aberto em todos os lados, de modo que o vento, seja qual for a sua orientação, possa alcançar facilmente a superfície de refrigeração 3. Para que também durante uma calmaria se produza um escoamento de ar entre o colector solar 2 e a superfície de refrigeração 3, a inclinação do colector solar 2 relativamente à inclinação da superfície de refrigeração 3 é de tal forma que o intervalo apresenta uma forma de cunha, formando-se aliás um género de bico. No lado superior da superfície de .refrigeração, onde é o ponto mais estreito do bico, o ar aquece mais e, devido à forma em cunha, origina-se neste ponto uma velocidade maior do escoamento de ar. Assim gera-se uma circulação mais rápida do ar pelo que é admitido constantemente ar fresco e, consequentemente, é alcançada uma melhor refrigeração. Além disso, o colector solar é dimensionado em relação ao tamanho da sua superfície de tal forma que seja garantida uma sombra constante sobre a superfície de refrigeração.

As fig. 5 e 6 mostram uma segunda concretização da instalação, isto é, a variante com a intercalação adicional de uma turbina a vapor 5’ para o funcionamento de um gerador eléctrico 16. O colector solar térmico 2 aquece o meio especial de refrigeração (por exemplo solução aquosa de brometo de lítio), que se encontra no circuito fechado, o qual é utilizado 86 200 ΕΡ Ο 970 018/ΡΤ

ιΙ

7 como meio portador, até aproximadamente 200°C, e desenvolve uma pressão de 40 bar. O meio portador é conduzido para uma turbina a vapor 5’ a qual origina o funcionamento do gerador 16. Em seguida o meio portador c arrefecido ate ccrca dc 90 a 100°C pela perda de energia na turbina a vapor 5’ e é conduzido a um condensador a vácuo 6’ que se encontra como permutador térmico no tanque 11 cheio de água do mar. Após mais outro arrefecimento do meio portador no condensador 6’ por meio da compensação da temperatura da água no tanque, este é conduzido através de uma bomba de vácuo 7 sob pressão até a um liquefator 15’. A partir dai, o meio portador arrefecido chega novamente ao colector solar térmico 2 concluindo-se assim o circuito.

Com a concretização das fig. 5 e 6 é apresentado além disso um tipo alternativo de alimentação do tanque 11. Neste caso o tanque 11 é alimentado através da ligação de tubos 4 a partir de um depósito de água do mar ou água salobra, por exemplo o mar, um poço na margem 14”, uma cratera, etc., com o auxílio de uma bomba de alimentação 14’ intercalada na ligação de tubos 4. A bomba de alimentação 14’ funciona de preferência de forma intermitente para garantir uma alimentação por ciclos do tanque 11. A baixa temperatura inicial da água do mar ou água salobra a ser tratada pode, além disso, ser aproveitada para arrefecer previamente a superfície de refrigeração 3, ou seja, aquecer previamente a água a ser tratada. Para este efeito, como mostra a fig. 5, a ligação de tubos 4 pode ser conduzida através de mais outro permutador térmico 17, o qual está instalado numa relação de condução térmica para com a superfície de refrigeração 3, por exemplo, situado por baixo da superfície de refrigeração entre a superfície de refrigeração 3 e o colector de água 13. Há possibilidade de produção de água doce em todas as variantes, durante o inverno, nas horas noctumas. Nestes períodos de fraca radiação solar, o meio portador é conduzido por meio de uma regulação electrónica através de um circuito de desvio (não representado), passando pelo absorvedor 5 ou pela turbina a vapor 5’ directamente para o permutador térmico 6, 6’ no tanque de água 11, de modo que na situação de um fraco aquecimento do meio portador ainda exista energia suficiente para aquecer a água do mar no tanque 11 e executar durante um período prolongado uma evaporação, isto é, a produção de água doce. Até durante a noite é possível a produção de água doce, dado que a água do mar aquecida durante o dia ainda pode condensar até à queda de temperatura no âmbito dos 30°C, dado que ao anoitecer ocorre simultaneamente uma queda de temperatura ambiente pelo que a superfície de refrigeração 3 também arrefece mais. 8 86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ É evidente que também é possível não instalar nem um absorvedor 5 nem uma turbina a vapor 5’, isto é, o circuito do meio portador témiico é então composto unicamente por um coleclor solai' 2, petmuladoí témiico 6 c eventualmente uma bomba dc circulação 7. O espaço entre o tanque 11 e a superfície de refrigeração 3 está de preferência fechado por todos os lados e colocado sob baixa pressão com uma bomba de vácuo 12’. A bomba de vácuo 12’ pode ser simultaneamente aquela bomba que absorve a água de condensação das calhas de recolha do colector de água 13, conduzindo-a para o tanque de água doce 12. São proporcionados na instalação além disso colectores fotovoltaicos 1, os quais produzem corrente eléctrica a partir de energia solar, a qual é utilizada para o funcionamento da bomba de circulação 7, da bomba de vácuo 12’, da bomba de alimentação 14’ assim como para todo o comando da instalação. Desta forma o sistema é autónomo no que diz respeito a energia.

Lisboa, ~2 Ul!I. i&J

Por JOHANNES MARKOPULOS - O AGENTE OFICIAL - u-adjunto

antónio joâo I

DA CUNHA FERREIRa I

Ag. Of. Pr. Ind. j Rua das Flores, 74-4.° 1200-195 LISBOA

Claims

86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ 1/3 REIVINDICAÇÕES 1. Instalação para a dessalinização ou purificação de água do mar ou água salobra por meio de energia solar, com: um circuito fechado composto por um colector solar térmico (2) e um permutador térmico (6, 6’), em cujo circuito circula um meio portador térmico; um tanque (11), o qual pode ser alimentado com a água do mar ou água salobra a ser tratada e no qual está instalado o permutador térmico (6, 6’) para o aquecimento e a evaporação da mesma; uma superfície de refrigeração (3), a qual se situa por cima do tanque (11) para a condensação do vapor ascendente; e colectores de água (13), os quais estão instalados em zonas parciais da superfície de refrigeração para recolher a água de condensação; caracterizada por, o colector solar (2) estar instalado a uma certa distância relativamente à superfície de refrigeração (3) e por cima da mesma, lançando sombra em relação à última; a superfície de refrigeração (3) ser fabricada de material com condutibilidade térmica; e por o espaço remanescente entre a superfície de refrigeração (3) e o colector solar (2) estar acessível à passagem lateral do ar ambiente.
2. Instalação de acordo com a reivindicação 1, em que o colector solar (2) está inclinado relativamente à linha horizontal, caracterizada por a superfície de refrigeração (3) estar mais inclinada do que o colector solar (2), de modo que o mencionado intervalo se estreita em forma de bico no sentido ascendente.
3. Instalação de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o espaço entre o tanque (11) e a superfície de refrigeração (3) estar fechado por todos os lados, podendo ser posto sob baixa pressão por meio de uma bomba de vácuo (12’).
4. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 3, caracterizada por a superfície de refrigeração (3), vista em corte vertical, ser ondulada e os colectores de água (13) serem formados como calhas de recolha que se desenvolvem sob as concavidades da ondulação ou como uma fina rede contínua revestida. 86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ 2/3
5. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 4, caracterizada por o tanque (11), visto em corte vertical, apresentar uma forma em cunha que se estreita para baixo.
6. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 5, caracterizada por, no fundo do tanque (11), ser proporcionado um parafuso transportador (9) que conduz a um transportador de corrente de alcatruzes (10) para a remoção de sedimentos (8) tal como salmoura ou similar.
7. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 6 para a dessalinização de água do mar, caracterizada por o tanque (11) estar situado substancialmente ao nível do mar e estar em ligação com o mar através de uma ligação de tubos (4), a qual é atravessada pelo escoamento quando da maré cheia e é vazada quando da maré baixa.
8. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 6, caracterizada por o tanque (11) ser alimentado através de uma bomba de alimentação (14’) intercalada na ligação de tubos (4) a partir de um reservatório de água do mar ou água salobra, por exemplo um poço (14”) na margem.
9. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 8, caracterizada por, no circuito fechado entre o colector solar (2) e o permutador térmico (3) estar intercalado um absorvedor (5) para o funcionamento de um armazém frigorífico (15) ou uma turbina a vapor (5 ’) para o funcionamento de um gerador (16).
10. Instalação de acordo com a reivindicação 9, caracterizada por o absorvedor (5, 6) ou a turbina a vapor (5’) poderem ser dispostos em ponte com auxílio de um circuito de desvio em períodos de fraca irradiação solar.
11. Instalação de acordo com as reivindicações 1 até 10, caracterizada por serem proporcionados painéis fotovoltaicos (1) para o funcionamento de elementos da instalação a' serem alimentados através de corrente eléctrica, tais como a bomba de vácuo (12’), a bomba de alimentação (14’), uma bomba de circulação (7) para o circuito fechado, etc..
12. Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 até 11, caracterizada por a ligação de tubos (4), antes de desembocar no tanque (11), ser conduzida através de um 86 200 ΕΡ 0 970 018/ΡΤ 3/3 permutador térmico (17) adicional, o qual está instalado numa relação de condução térmica para com a superfície de refrigeração (3). SI Lisboa, Por JOHANNES MARKOPULOS - O AGEN1

Eng.° ANTÓNIO JOÃO DA CUNHA FERREIRA Ag. Of. Pr- Ind. Rua das Flores, 74-4.° 1200-195 LISBOA