RU204107U1

RU204107U1 - HYGROSCOPIC HEAT PUMP DESALINATION PLANT

Info

Publication number: RU204107U1
Application number: RU2020129312U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Банников; Павел Сергеевич Соколов; Мария Владимировна Козлова
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Полезная модель относится к установкам для получения дистиллированной воды питьевого качества и может быть использована для опреснения минерализованной воды. Гигроскопическая теплонасосная опреснительная установка, содержащая и испарительную камеру, выполненную со съемным дном и съемной крышкой в форме усеченного конуса, в которой ниже уровня опресняемой воды установлен нагревательный элемент, под которым размещено барботажное устройство, соединенное трубой через нагнетатель воздуха с установленным ниже в испарительной камере конденсатором-сепаратором, соединенным со змеевиком пресной воды и трубой с зоной паровоздушной смеси под крышкой испарительной камеры, содержит замкнутый герметичный контур теплового насоса, состоящий из соединенных трубопроводом конденсатора-сепаратора, являющегося испарителем теплового насоса, компрессора, нагревательного элемента, являющегося конденсатором теплового насоса, и дроссельного устройства, при этом в указанном контуре циркулирует низкокипящий рабочий агент. Емкость опресняемой воды установлена выше испарительной камеры, снабженной датчиком уровня воды, и соединена с ней посредством переливной трубы с клапаном, причем выходная часть трубы расположена у дна испарительной камеры. Барботажное устройство выполнено в форме плоской спирали из трубы с отверстиями диаметром 1-3 мм, установлено горизонтально отверстиями вверх. Технический результат - создание компактной, простой, надежной и энергоэффективной гигроскопической теплонасосной опреснительной установки широкого спектра применения.The utility model relates to installations for obtaining distilled water of drinking quality and can be used for desalination of mineralized water. A hygroscopic heat pump desalination plant, containing an evaporation chamber made with a removable bottom and a removable cover in the form of a truncated cone, in which a heating element is installed below the level of desalinated water, under which a bubbling device is located, connected by a pipe through an air blower with a condenser installed below in the evaporation chamber - a separator connected to a fresh water coil and a pipe with a vapor-air mixture zone under the cover of the evaporation chamber contains a closed sealed circuit of the heat pump, consisting of a condenser-separator connected by a pipeline, which is the evaporator of the heat pump, compressor, heating element, which is the condenser of the heat pump, and throttle device, while a low-boiling working agent circulates in the specified circuit. The capacity of the water to be desalinated is installed above the evaporation chamber, equipped with a water level sensor, and is connected to it by means of an overflow pipe with a valve, and the outlet part of the pipe is located at the bottom of the evaporation chamber. The bubbling device is made in the form of a flat spiral made of a pipe with holes 1-3 mm in diameter, installed horizontally with the holes upwards. The technical result is the creation of a compact, simple, reliable and energy efficient hygroscopic heat pump desalination plant for a wide range of applications.

Description

Полезная модель относится к установкам для получения дистиллированной воды питьевого качества и может быть использована для опреснения минерализованной воды.The utility model relates to installations for obtaining distilled water of drinking quality and can be used for desalination of mineralized water.

Известна «Гелиоопреснительная установка (Патент на изобретение RU №2165890, MПК C02F 1/04, C02F 1/14, 2001 г.), состоящая из солнечного коллектора и многосекционного вакуумного дистиллятора. Испытательный и испарительно-конденсационные теплообменники дистиллятора выполнены в виде спиральных трубок с горизонтальным расположением витков. Откачка рассола из дистиллятора осуществляется с помощью водовоздушного эжектора. Удельная производительность установки зависит от числа используемых секций и составляет 1-3 л дистиллята в час с квадратного метра солнечного коллектора.Known "Solar desalination plant (Patent for invention RU No. 2165890, MPK C02F 1/04, C02F 1/14, 2001), consisting of a solar collector and a multisection vacuum distiller. The test and evaporative-condensing heat exchangers of the distiller are made in the form of spiral tubes with a horizontal arrangement of turns. The brine is pumped out of the distiller using a water-air ejector. The specific capacity of the installation depends on the number of sections used and amounts to 1-3 liters of distillate per hour per square meter of the solar collector.

Недостатком указанного технического решения является низкая энергетическая эффективность, громоздкость, и как следствие высокая металлоемкость конструкции устройства. Кроме этого, работа установки нестабильна, так как ее производительность зависит от погодных условий и времени суток.The disadvantage of this technical solution is low energy efficiency, bulkiness, and, as a consequence, high metal consumption of the device structure. In addition, the operation of the installation is unstable, since its performance depends on weather conditions and time of day.

Так же известна «Автономная опреснительная установка» (Патент на полезную модель RU №165781, МПК C02F 1/14, B01D 1/00, В01D 5/00, F24J 2/00 2016 г.), состоящая из камеры испарения, в которой размещен нагревательный элемент, конденсатора, патрубков подачи опресняемой воды, патрубков отвода опресненной воды, съемной камеры приема опресняемой воды, цилиндрической формы, с вогнутым дном в форме сопряженных конической и цилиндрической поверхностей, которая является водоохлаждаемым конденсатором, установленным через уплотнитель на камеру испарения, цилиндрической формы с кольцевым желобом приема конденсата на верхнем торце, при этом камера приема опресняемой воды посредством переливной трубы соединена с камерой испарения, снабженной датчиком уровня воды соединенным с клапаном, а нагревательный элемент соединен с солнечным коллектором.Also known is the "Autonomous desalination plant" (Patent for useful model RU No. 165781, IPC C02F 1/14, B01D 1/00, B01D 5/00, F24J 2/00 2016), consisting of an evaporation chamber in which heating element, condenser, desalinated water supply pipes, desalinated water outlet pipes, removable desalinated water intake chamber, cylindrical shape, with a concave bottom in the form of mating conical and cylindrical surfaces, which is a water-cooled condenser installed through a seal on the evaporation chamber, cylindrical shape with an annular condensate receiving chute at the upper end, while the desalinated water receiving chamber is connected by an overflow pipe to the evaporation chamber equipped with a water level sensor connected to the valve, and the heating element is connected to the solar collector.

Недостатком указанной установки является относительно низкая производительность, обусловленная принципом получения пресной воды, реализуемым в ней.The disadvantage of this installation is the relatively low productivity, due to the principle of obtaining fresh water, implemented in it.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности является автономная опреснительная установка (Патент на изобретение RU №2613920, МПК C02F 1/04, C02F 1/14, 2017 г.), принятая за прототип, содержащая емкость опресняемой воды, испарительную камеру, нагревательный элемент, барботажное устройство, конденсатор-сепаратор, емкость-сборник пресной воды, в цилиндрической испарительной камере со съемным дном и съемной крышкой, в форме усеченного конуса, ниже уровня опресняемой воды установлен нагревательный элемент, соединенный с солнечным коллектором, под которым размещено барботажное устройство, под которым установлен конденсатор-сепаратор, соединенный змеевиком с емкостью-сборником пресной воды, при этом конденсатор-сепаратор соединен трубой через нагнетатель воздуха, подключенный к солнечной батарее, с барботажным устройством и соединен трубой с зоной паровоздушной смеси под крышкой испарительной камеры. Емкость опресняемой воды установлена выше испарительной камеры, снабженной датчиком уровня воды, и соединена с ней посредством переливной трубы с клапаном, причем выходная часть трубы расположена у дна испарительной камеры. Барботажное устройство выполнено в форме плоской спирали из трубы с отверстиями диаметром 1-3 мм, установлено горизонтально отверстиями вверх.The closest to the claimed utility model in technical essence is an autonomous desalination plant (Patent for invention RU No. 2613920, IPC C02F 1/04, C02F 1/14, 2017), taken as a prototype, containing a capacity of desalinated water, an evaporation chamber, a heating element, a bubbling device, a condenser-separator, a reservoir-collection of fresh water, in a cylindrical evaporation chamber with a removable bottom and a removable lid, in the form of a truncated cone, a heating element is installed below the level of desalinated water, connected to a solar collector, under which a bubbling device is located, under which a condenser-separator is installed, connected by a coil to a collection tank of fresh water, while the condenser-separator is connected by a pipe through an air blower connected to a solar battery to a bubbler device and is connected by a pipe to a zone of a vapor-air mixture under the cover of the evaporation chamber. The capacity of the water to be desalinated is installed above the evaporation chamber, equipped with a water level sensor, and is connected to it by means of an overflow pipe with a valve, and the outlet part of the pipe is located at the bottom of the evaporation chamber. The bubbler device is made in the form of a flat spiral made of a pipe with holes 1-3 mm in diameter, installed horizontally with the holes upwards.

Недостатками прототипа являются зависимость производительности установки от климатических условий, времени суток. Данное обстоятельство ограничивает возможность использования данной установки.The disadvantages of the prototype are the dependence of the productivity of the installation on climatic conditions, time of day. This circumstance limits the possibility of using this installation.

Техническим результатом является создание компактной, простой, надежной и энергоэффективной гигроскопической теплонасосной опреснительной установки широкого спектра применения.The technical result is the creation of a compact, simple, reliable and energy efficient hygroscopic heat pump desalination plant for a wide range of applications.

Технический результат достигается тем, что Гигроскопическая теплонасосная опреснительная установка, включающая испарительную камеру, выполненную со съемным дном и съемной крышкой в форме усеченного конуса, в которой ниже уровня опресняемой воды установлен нагревательный элемент, под которым размещено барботажное устройство, выполненное в форме плоской спирали из трубы с отверстиями диаметром 1-3 мм, установлено горизонтально отверстиями вверх, соединенное трубой через нагнетатель воздуха с установленным ниже конденсатором-сепаратором, соединенным со змеевиком пресной воды и трубой паровоздушной смеси с зоной паровоздушной смеси под крышкой испарительной камеры, испарительная камера оснащена датчиком уровня воды и соединена переливной трубой подачи опресняемой воды с клапаном, причем выходная часть трубы подачи опресняемой воды расположена у дна испарительной камеры, содержит замкнутый герметичный контур теплового насоса, состоящий из соединенных трубопроводом конденсатора-сепаратора, являющегося испарителем теплового насоса, компрессора, нагревательного элемента, являющегося конденсатором теплового насоса, и дроссельного устройства, при этом тепловой насос выполнен с возможностью циркуляции в указанном контуре низкокипящего рабочего агента.The technical result is achieved by the fact that a hygroscopic heat pump desalination plant, including an evaporation chamber made with a removable bottom and a removable cover in the form of a truncated cone, in which a heating element is installed below the level of the water to be desalinated, under which a bubbling device is placed, made in the form of a flat spiral from a pipe with holes 1-3 mm in diameter, installed horizontally with holes upwards, connected by a pipe through an air blower with a condenser-separator installed below, connected to a fresh water coil and a steam-air mixture pipe with a vapor-air mixture zone under the cover of the evaporation chamber, the evaporation chamber is equipped with a water level sensor and connected by an overflow pipe for supplying desalinated water with a valve, and the outlet part of the pipe for supplying desalinated water is located at the bottom of the evaporation chamber, contains a closed sealed circuit of the heat pump, consisting of a condenser-separator connected by a pipeline, i a heat pump circulating by the evaporator, a compressor, a heating element that is a condenser of the heat pump, and a throttling device, while the heat pump is configured to circulate a low-boiling working agent in said circuit.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема гигроскопической опреснительной установки с тепловым насосом.FIG. 1 is a schematic diagram of a hygroscopic desalination plant with a heat pump.

Гигроскопическая теплонасосная опреснительная установка включает емкость опресняемой воды 1, испарительную камеру 2, емкость-сборник пресной воды 3. Емкость опресняемой воды 1 установлена выше испарительной камеры 2 и соединена переливной трубы 4 подачи опресняемой воды. Переливная труба 4 снабжена клапаном 5, соединенным с датчиком уровня воды 6 в испарительной камере 2. Входное отверстие для переливной трубы 4 расположено в верхней части испарительной камеры 2, а выходная часть переливной трубы 4 расположена в нижней части испарительной камеры 2. Испарительная камера 2 выполнена в форме цилиндра со съемным дном 7 и съемной крышкой 8. Крышка 8 выполнена в форме усеченного конуса, ее внутренняя поверхность и уровень воды образуют зону паровоздушной смеси 9. В верхней части испарительной камеры 2 ниже уровня опресняемой воды установлен нагревательный элемент 10, представленный, например, в виде змеевика. Над нагревательным элементом 10 образуется зона нагрева 11, а под ним размещено барботажное устройство 12. Под барботажным устройством 12 установлен конденсатор-сепаратор 13, соединенный змеевиком 14 пресной воды с емкостью-сборником пресной воды 3. Конденсатор-сепаратор 13 соединен трубой 15 через нагнетатель воздуха 16 с барботажным устройством 12. Конденсатор-сепаратор 13 соединен трубой для паровоздушной смеси 17 с зоной паровоздушной смеси 9. Установка содержит замкнутый герметичный контур теплового насоса, состоящий из соединенных трубопроводом 18 конденсатора-сепаратора 13, являющегося испарителем теплового насоса, компрессора 19, нагревательного элемента 10, являющегося конденсатором теплового насоса, и дроссельного устройства 20, при этом в указанном контуре циркулирует низкокипящий рабочий агент. Конденсатор-сепаратор 13, являющийся испарителем теплового насоса через трубопровод рабочего агента 18 сообщается с компрессором 19, который соединен последовательно с дроссельным устройством 20 через нагревательный элемент 10. В контуре теплового насоса «конденсатор-сепаратор 13 - компрессор 19 - нагревательный элемент 10 - дроссельное устройство 20» циркулирует низкокипящий рабочий агент, например, фреон. Удаление рассола осуществляется через кран слива рассола 21.The hygroscopic heat pump desalination plant includes a tank for desalinated water 1, an evaporation chamber 2, a collection tank for fresh water 3. The tank for desalinated water 1 is installed above the evaporation chamber 2 and an overflow pipe 4 for supplying desalinated water is connected. The overflow pipe 4 is equipped with a valve 5 connected to the water level sensor 6 in the evaporation chamber 2. The inlet for the overflow pipe 4 is located in the upper part of the evaporation chamber 2, and the outlet part of the overflow pipe 4 is located in the lower part of the evaporation chamber 2. The evaporation chamber 2 is made in the form of a cylinder with a removable bottom 7 and a removable cover 8. The cover 8 is made in the form of a truncated cone, its inner surface and the water level form a zone of the vapor-air mixture 9. In the upper part of the evaporation chamber 2 below the level of desalinated water, a heating element 10 is installed, represented, for example , in the form of a coil. Above the heating element 10, a heating zone 11 is formed, and a bubbling device 12 is located under it. A condenser-separator 13 is installed under the bubbler device 12, connected by a fresh water coil 14 with a fresh water collection tank 3. The condenser-separator 13 is connected by a pipe 15 through an air blower 16 with a bubbling device 12. Condenser-separator 13 is connected by a pipe for a vapor-air mixture 17 with a zone of a vapor-air mixture 9. The installation contains a closed hermetic circuit of a heat pump, consisting of a condenser-separator 13 connected by a pipeline 18, which is an evaporator of a heat pump, a compressor 19, a heating element 10, which is a condenser of a heat pump, and a throttle device 20, while a low-boiling working agent circulates in said circuit. The condenser-separator 13, which is the evaporator of the heat pump through the working agent pipeline 18, communicates with the compressor 19, which is connected in series with the throttle device 20 through the heating element 10. In the heat pump circuit, the condenser-separator 13 - the compressor 19 - the heating element 10 - the throttle device 20 "low-boiling working agent circulates, for example freon. The brine is removed through the brine drain valve 21.

Гигроскопическая теплонасосная опреснительная установка работает следующим образом.A hygroscopic heat pump desalination plant works as follows.

Исходная опресняемая вода из емкости опресняемой воды 1 по переливной трубе 4 через клапан 5 поступает в нижнюю часть испарительной камеры 2. Нагревательный элемент 10, являющийся конденсатором теплового насоса, за счет конденсации низкокипящего рабочего агента, сжатого в компрессоре 19 обеспечивает нагрев воды до температуры, близкой температуре кипения, в зоне нагрева 11 (в зоне размещения нагревательного элемента 10 и над ним). Ненасыщенный воздух по трубе 15 посредством нагнетателя 16 через барботажное устройство 12 подается в зону нагрева 11, где в процессе барботажа насыщается влагой, и направляется в зону паровоздушной смеси 9 под крышкой 8 испарительной камеры 2. Далее паровоздушная смесь из зоны паровоздушной смеси 9 по трубе для паровоздушной смеси 17 поступает в конденсатор-сепаратор 13, являющийся испарителем теплового насоса, где в процессе теплообмена с рабочим агентом осушается: конденсат (обессоленная вода) по змеевику 14 поступает в приемную емкость пресной воды 3, а ненасыщенный воздух направляется по трубе 15 к нагнетателю воздуха 16. При этом в результате теплообмена в конденсаторе-сепараторе 13 низкокипящий рабочий агент испаряется, а по трубопроводу рабочего агента 18 отправляется в компрессор 19, где сжимается, а поступив в нагревательный элемент 10 конденсируется. Сконденсировавшийся низкокипящий рабочий агент из нагревательного элемента 10 направляется в дроссельное устройство 20, где расширяется и вновь поступает в конденсатор-сепаратор 13. Вода с повышенным солесодержанием (рассол) из зоны нагрева 11 над барботажным устройством 12 за счет большей плотности опускается ко дну 7 испарительной камеры 2. Удаление рассола осуществляется через кран слива рассола 21. При снижении уровня воды в испарительной камере 2 по сигналу датчика уровня 6 открывает клапан 5 и исходная опресняемая вода из емкости исходной воды 1 по переливной трубе 4 поступает в нижнюю часть испарительной камеры 2. Поскольку исходная опресняемая вода имеет меньшую плотность, чем рассол, то она естественным образом будет поступать в зону нагрева 11, дополнительно нагреваясь за счет восприятия тепловой энергии от конденсатора-сепаратора 13 и змеевика 14 пресной воды.The initial desalinated water from the desalinated water tank 1 through the overflow pipe 4 through the valve 5 enters the lower part of the evaporation chamber 2. The heating element 10, which is the condenser of the heat pump, due to the condensation of the low-boiling working agent compressed in the compressor 19, provides heating of water to a temperature close to boiling point, in the heating zone 11 (in the area of the heating element 10 and above it). Unsaturated air through pipe 15 by means of a blower 16 through a bubbling device 12 is supplied to the heating zone 11, where it is saturated with moisture during the bubbling process, and is sent to the zone of the steam-air mixture 9 under the cover 8 of the evaporation chamber 2. Then the steam-air mixture from the zone of the steam-air mixture 9 through the pipe for the steam-air mixture 17 enters the condenser-separator 13, which is the evaporator of the heat pump, where, in the process of heat exchange with the working agent, it is dried: the condensate (demineralized water) flows through the coil 14 into the receiving tank of fresh water 3, and the unsaturated air is directed through the pipe 15 to the air blower 16. In this case, as a result of heat exchange in the condenser-separator 13, the low-boiling working agent is evaporated, and through the pipeline of the working agent 18 is sent to the compressor 19, where it is compressed, and entering the heating element 10 is condensed. The condensed low-boiling working agent from the heating element 10 is directed to the throttle device 20, where it expands and again enters the condenser-separator 13. Water with increased salinity (brine) from the heating zone 11 above the bubbling device 12, due to the higher density, sinks to the bottom 7 of the evaporation chamber 2. The brine is removed through the brine drain valve 21. When the water level in the evaporation chamber 2 drops, the signal of the level sensor 6 opens the valve 5 and the initial desalinated water from the source water tank 1 through the overflow pipe 4 enters the lower part of the evaporation chamber 2. Since the original desalinated water has a lower density than brine, then it will naturally enter the heating zone 11, additionally heating up due to the perception of thermal energy from the condenser-separator 13 and the coil 14 of fresh water.

Гигроскопическая теплонасосная опреснительная установка является компактной, простой, надежной и энергоэффективной и имеет широкий спектр применения.The hygroscopic heat pump desalination plant is compact, simple, reliable and energy efficient and has a wide range of applications.

Claims

A hygroscopic heat pump desalination plant, including an evaporation chamber made with a removable bottom and a removable lid in the form of a truncated cone, in which a heating element is installed below the level of the water to be desalinated, under which a bubbling device is placed in the form of a flat spiral from a pipe with holes 1-3 mm in diameter, installed horizontally with openings upwards, connected by a pipe through an air blower with a condenser-separator installed below in the evaporation chamber, connected to a fresh water coil and a pipe of a steam-air mixture with a zone of a steam-air mixture under the cover of the evaporation chamber, the evaporation chamber is equipped with a water level sensor and is connected by an overflow pipe for supplying desalinated water with a valve, and the outlet part of the pipe for supplying desalinated water is located at the bottom of the evaporation chamber, characterized in that it contains a closed sealed circuit of the heat pump, consisting of a condenser-separator connected by a pipeline, which is I the evaporator of the heat pump, the compressor, the heating element, which is the condenser of the heat pump, and the throttle device, while the heat pump is configured to circulate a low-boiling working agent in the specified circuit.