RU2732929C1

RU2732929C1 - Seawater desalting method

Info

Publication number: RU2732929C1
Application number: RU2019145240A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Миронов; Дмитрий Викторович Миронов; Евгений Александрович Жернаков; Юрий Андреевич Иванюшин; Владимир Вячеславович Якимов
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-09-24

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to autonomous production of clean fresh water. Method consists in saturation of atmospheric air with water vapor in evaporators, supply of steam-air mixture to condensers and moisture extraction. Saturation of atmospheric air with water vapors in evaporators is carried out at pressure below atmospheric pressure for reduction of water boiling point and intensity of evaporation due to concentrated solar energy and tracking systems behind the position of the sun in the firmament. Evisceration in evaporators is created and maintained during operation by vertical columns of fresh water in condensers. Vertical capacitors are arranged under water area with installed check valves for automatic discharge of fresh water into storage tanks communicating with atmospheric air, when hydrostatic pressure of fresh water column in capacitors exceeds atmospheric value. Seawater is fed into an evaporator vessel by evacuating in an evaporator vessel with a black surface, and its circulation in evaporators to prevent salt deposition is forced by means of pumps operating on solar energy. Evaporators are made with a black surface for maximum absorption of energy of solar radiation, evaporators are placed in translucent flasks to prevent loss of heat energy in evaporators, negative pressure in vacuum flasks is created and maintained by hydrostatic pressure of fresh water column in vertical condensers.

EFFECT: obtaining pure fresh water using renewable solar energy and hydrostatic pressure of water column, which enables to obtain clean and fresh water from sea water at low cost.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам автономного получения пресной воды, путем испарения морской воды и конденсации паровоздушной смеси.The invention relates to methods for the autonomous production of fresh water, by evaporation of sea water and condensation of a vapor-air mixture.

Одной из глобальных проблем современной цивилизации является нехватка пресной воды. Морская вода имеет высокую концентрацию примесей и считается соленой, но является главным источником получения пригодной для употребления воды и стимулирующей областью реализации прорывных технологий в ее опреснении. При этом главным критерием применения известных технологий и технических решений по опреснению морской воды является ее себестоимость, приведенная к единице массы качественной питьевой воды. Предлагаемый способ опреснения морской воды может быть использован в сфере питьевого водоснабжения, а также в прочих бытовых и хозяйственных нуждах.One of the global problems of modern civilization is the lack of fresh water. Sea water has a high concentration of impurities and is considered saline, but it is the main source of water suitable for consumption and a stimulating area for the implementation of breakthrough technologies in its desalination. At the same time, the main criterion for the application of known technologies and technical solutions for desalination of sea water is its cost, reduced to a unit mass of high-quality drinking water. The proposed method of desalination of sea water can be used in the field of drinking water supply, as well as in other household and economic needs.

Известен способ извлечения воды из паровоздушной смеси, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха, конденсируют пары воды и получаемую при этом пресную воду-конденсат подают в емкость для сбора воды (патент РФ №2081256, МПК Е03В 3/28, опубл. 10.06.1997). Недостатком способа является необходимость использования внешней подводимой энергии для формирования потока паровоздушной смеси, направляемой в конденсатор для осаждения влаги, которая не является возобновляемой.There is a known method for extracting water from a vapor-air mixture, which consists in forming an air stream containing water vapor, artificially cooling the air stream, condensing water vapor, and the resulting fresh water-condensate is fed into a container for collecting water (RF patent No. 2081256, IPC E03B 3/28, publ. 10.06.1997). The disadvantage of this method is the need to use external input energy to form a flow of the vapor-air mixture, directed to the condenser for the deposition of moisture, which is not renewable.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу по совокупности признаков является способ получения пресной воды, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего водяные пары, охлаждают его до температуры ниже точки росы, конденсируют водяные пары в воду (патент США №5203989, МПК Е03В 3/28, опубл. 20.04.1987). При прокачке потока атмосферного воздуха, содержащего пары воды, происходит их конденсация на охлаждающем элементе холодильной машины и одновременное охлаждение потока воздуха, который выбрасывается в атмосферу. Для прокачки потока атмосферного воздуха необходим нагнетатель, требующий затрат внешней невозобновляемой энергии. Известный способ, предполагающий также использование внешней подводимой энергии для работы холодильной машины, характеризуются низкой экономичностью использования холодопроизводительности машины, что приводит к повышению себестоимости получения пресной воды.The closest technical solution to the claimed method in terms of a combination of features is a method of obtaining fresh water, which consists in the fact that they form a stream of air containing water vapor, cool it to a temperature below the dew point, condense water vapor into water (US patent No. 5203989, IPC E03B 3/28, publ. 04/20/1987). When the flow of atmospheric air containing water vapor is pumped, they condense on the cooling element of the refrigerating machine and simultaneously cool the air flow that is discharged into the atmosphere. To pump the flow of atmospheric air, a blower is required, which requires external non-renewable energy costs. The known method, which also involves the use of external supplied energy for the operation of the refrigerating machine, is characterized by low efficiency of using the refrigerating capacity of the machine, which leads to an increase in the cost of producing fresh water.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание способа получения чистой, пресной воды с использованием возобновляемой энергии солнца и энергии гидростатического давления водяного столба, позволяющего с низкой себестоимостью получать чистую пресную воду из морской воды.The technical problem facing the invention is to create a method for producing clean, fresh water using renewable energy from the sun and the energy of the hydrostatic pressure of the water column, which makes it possible to obtain clean fresh water from seawater at low cost.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение интенсивности парообразования в испарителях, за счет снижения температуры кипения воды в емкостях-испарителях с черной поверхностью для максимального поглощения тепловой солнечной энергии, при давлении ниже атмосферного. Техническим результатом, снижающим себестоимость получения пресной воды, является, также, использование энергии гидростатического давления столба пресной воды в конденсаторах для создания и поддержания разрежения воздуха в испарителях и воздушной прослойке между испарителями и атмосферным воздухом для снижения потерь тепловой энергии, получаемой от солнца.The technical result of the claimed invention is to increase the intensity of vaporization in evaporators, by reducing the boiling point of water in evaporator tanks with a black surface for maximum absorption of thermal solar energy, at a pressure below atmospheric. The technical result, which reduces the cost of producing fresh water, is also the use of the energy of the hydrostatic pressure of a column of fresh water in the condensers to create and maintain a rarefaction of air in the evaporators and the air gap between the evaporators and atmospheric air to reduce the loss of thermal energy received from the sun.

Согласно изобретению, техническая задача решается, а технический результат достигается следующим образом. Способ опреснения морской воды включает формирование паровоздушной смеси, осаждение водяных паров в конденсаторах и отбор пресной воды. Формируют паровоздушную смесь концентрированной энергией солнца внутри теплоизолированных вакуумом емкостей-испарителей с черной поверхностью для максимального поглощения солнечной энергии, расположенных на платформах с положительной плавучестью, в которые подается за счет созданного в них разрежения испаряющаяся при давлении ниже атмосферного морская вода. Для обеспечения слабой циркуляции морской воды в теплоизолированных емкостях-испарителях, предотвращающей отложение солей в испарителях, используют нагнетатели с приводом от солнечных фотоэлектрических батарей. Сформированную в испарителях паровоздушную смесь отводят в вертикальные конденсаторы, расположенные под уровнем моря, за счет разности давлений, обусловленной перепадом температур, в испарителях и конденсаторах.According to the invention, the technical problem is solved, and the technical result is achieved as follows. The method of seawater desalination includes the formation of a vapor-air mixture, the precipitation of water vapor in condensers and the selection of fresh water. A vapor-air mixture is formed with the concentrated energy of the sun inside vacuum-insulated containers-evaporators with a black surface for maximum absorption of solar energy, located on platforms with positive buoyancy, into which, due to the vacuum created in them, seawater evaporating at a pressure below atmospheric is supplied. To ensure a weak circulation of seawater in insulated evaporator tanks, which prevents salt deposition in the evaporators, blowers driven by solar photovoltaic batteries are used. The vapor-air mixture formed in the evaporators is discharged into vertical condensers located below sea level due to the pressure difference due to the temperature difference in the evaporators and condensers.

Заявляемое изобретение поясняется схемой на фиг. 1.The claimed invention is illustrated by the diagram in Fig. 1.

Заявляемое техническое решение состоит из комплекса устройств и емкостей, в том числе, емкости-испарителя с черной поверхностью (1); светопроницаемой колбы (2) для вакуумной термоизоляции емкости-испарителя с черной поверхностью (1), вертикального конденсатора (3), крана (4) для откачки воздуха и создания вакуумной теплоизоляции; светоотражающей поверхности солнечного концентратора энергии (5), датчиков слежения за положением солнца (6), фотоэлектрических солнечных панелей (7), платформы системы слежения за солнцем (8); исполнительных механизмов (9) (например: пневмомускулов) системы слежения за солнцем, дозирующих насосов (10) и (11); обеспечивающих слабую циркуляцию морской воды в испарителе, для предотвращения отложения в нем солей с приводом от фотоэлектрических солнечных батарей (7), платформы с положительной плавучестью (12), электромагнитного клапана (13), обратного клапана (14), трубопровода подачи конденсата в накопительную емкость (15), накопительной емкости для конденсата (16) с атмосферным давлением на поверхности воды в ней; насоса для откачки конденсата из накопительной емкости (17), рукава (18) с напорным трубопроводом внутри, сообщающегося с атмосферным воздухом.The claimed technical solution consists of a set of devices and containers, including an evaporator container with a black surface (1); a light-permeable bulb (2) for vacuum thermal insulation of an evaporator tank with a black surface (1), a vertical condenser (3), a valve (4) for evacuating air and creating vacuum thermal insulation; reflective surface of solar energy concentrator (5), sensors for tracking the position of the sun (6), photovoltaic solar panels (7), platform for tracking the sun (8); actuators (9) (for example: pneumomuscles) of the sun tracking system, metering pumps (10) and (11); providing a weak circulation of sea water in the evaporator, to prevent salt deposition in it, driven by photovoltaic solar panels (7), a platform with positive buoyancy (12), an electromagnetic valve (13), a check valve (14), a pipeline for supplying condensate to the storage tank (15), a storage tank for condensate (16) with atmospheric pressure on the surface of the water in it; a pump for pumping condensate from a storage tank (17), a hose (18) with a pressure pipeline inside, communicating with atmospheric air.

Способ опреснения морской воды (см. фигура 1) реализуется следующим образом. При закрытом электромагнитном клапане (13) заполняют вертикальный конденсатор (3) пресной водой на высоту порядка 10 метров. При открывании электромагнитного клапана (13), создается абсолютное давление внутри емкости-испарителя с черной поверхностью (1) близкое к нулю. Через кран (4), сообщающийся с областью разрежения вертикального конденсатора (3), в воздушном пространстве между емкостью-испарителем с черной поверхностью (1) и светопроницаемой колбой (2), также, создается разрежение. За счет созданного разрежения в емкости-испарителе с черной поверхностью (1) внутрь нее подается морская вода. Формирование паровоздушной смеси в теплоизолированных емкостях-испарителях с черной поверхностью (1), расположенных на платформе с положительной плавучестью (12) осуществляют концентрированной энергией солнца с использованием светоотражающих поверхностей солнечного концентратора энергии (5), датчиков слежения за положением солнца (6), фотоэлектрических солнечных панелей (7), платформы системы слежения за солнцем (8) и исполнительных механизмов (9). Вакуумную теплоизоляцию испарителя осуществляют при помощи светопроницаемой колбы (2) с образованием области разреженного воздуха между светопроницаемой колбой (2) и емкостью-испарителем с черной поверхностью (1). Осаждение водяных паров осуществляют в вертикальных конденсаторах (3), находящихся под уровнем моря. Высоту столба пресной воды в конденсаторах над обратным клапаном (14) выбирают, исходя из заданного разрежения воздуха в емкости-испарителе с черной поверхностью (1) для снижения температуры кипения морской воды в емкости-испарителе с черной поверхностью (1) и повышения интенсивности испарения. По мере накопления пресной воды в конденсаторе и достижении гидростатического давления столба воды перед обратным клапаном (14), превышающего атмосферное давление, обратный клапан (14) открывается под действием избыточного давления столба воды в вертикальном конденсаторе (3) и конденсат сливается по трубопроводу подачи конденсата в накопительную емкость (15) в накопительную емкость (16), сообщающуюся с воздушной атмосферой рукавом (18). Конденсат откачивают из накопительной емкости (16) насосом (17) по напорному трубопроводу, размещенному в рукаве (18) Слабую циркуляцию морской воды в емкости-испарителе с черной поверхностью (1) для предотвращения солеотложения осуществляют при помощи насосов (10) и (11) с приводом от солнечной энергии. Работа насосов (10) и (11) осуществляется с учетом установленных минимальных и максимальных уровней воды в емкости (1). Включение и выключение насосов (10) и (11) при достижении минимального и максимального уровне осуществляется по сигналу от соответствующих датчиков уровня.The method of desalination of sea water (see figure 1) is implemented as follows. With the solenoid valve (13) closed, the vertical condenser (3) is filled with fresh water to a height of about 10 meters. When the solenoid valve (13) is opened, an absolute pressure is created inside the evaporator vessel with a black surface (1) close to zero. A vacuum is also created in the air space between the evaporator tank with a black surface (1) and the translucent bulb (2) through the valve (4), which is connected to the vacuum area of the vertical condenser (3). Due to the created vacuum in the evaporator tank with a black surface (1), sea water is supplied inside it. The formation of a vapor-air mixture in thermally insulated evaporator tanks with a black surface (1), located on a platform with positive buoyancy (12), is carried out by concentrated energy of the sun using reflective surfaces of a solar energy concentrator (5), sensors for tracking the position of the sun (6), photovoltaic solar panels (7), platforms of the sun tracking system (8) and actuators (9). Vacuum thermal insulation of the evaporator is carried out using a light-permeable bulb (2) with the formation of a rarefied air region between the light-permeable bulb (2) and the evaporator tank with a black surface (1). The deposition of water vapor is carried out in vertical condensers (3) located below sea level. The height of the column of fresh water in the condensers above the check valve (14) is selected based on the specified vacuum in the evaporator tank with a black surface (1) to reduce the boiling point of sea water in the evaporator tank with a black surface (1) and increase the evaporation rate. As fresh water accumulates in the condenser and the hydrostatic pressure of the water column in front of the check valve (14) exceeds atmospheric pressure, the check valve (14) opens under the action of the excess pressure of the water column in the vertical condenser (3) and the condensate is discharged through the condensate supply line into a storage tank (15) into a storage tank (16) communicating with the air atmosphere with a sleeve (18). Condensate is pumped out of the storage tank (16) by a pump (17) through a pressure pipeline located in the sleeve (18) Weak circulation of seawater in an evaporator tank with a black surface (1) to prevent salt deposition is carried out using pumps (10) and (11) solar powered. The operation of pumps (10) and (11) is carried out taking into account the set minimum and maximum water levels in the tank (1). Pumps (10) and (11) are switched on and off when the minimum and maximum level is reached according to a signal from the corresponding level sensors.

Заявленное техническое решение позволяет преобразовывать даровую сконцентрированную энергию солнца в тепловую энергию, для создания паровоздушной смеси в теплоизолированных вакуумом испарителях с черной поверхностью. Заявленное техническое решение позволяет использовать энергию гидростатического давления столба пресной воды в конденсаторах для создания и поддержания разрежения в испарителях и вакуумных теплоизоляторах испарителей. В конечном итоге, чем выше мощность концентрированной солнечной энергии с использованием следящих за солнцем систем, тем достигается более высокая производительность агрегатов, реализующих способ, по чистой пресной воде.The claimed technical solution allows converting the free concentrated energy of the sun into thermal energy to create a vapor-air mixture in vacuum-insulated evaporators with a black surface. The claimed technical solution makes it possible to use the energy of the hydrostatic pressure of a column of fresh water in the condensers to create and maintain a vacuum in the evaporators and vacuum heat insulators of the evaporators. Ultimately, the higher the power of concentrated solar energy using solar-tracking systems, the higher the productivity of the units that implement the method, with pure fresh water.

Заявленное техническое решение позволяет снизить затраты на опреснение морской воды, так как при реализации способа используется только возобновляемая солнечная энергия и энергия гидростатического давления столба воды. При абсолютном давлении в испарителе 0,2 атмосферы вода закипает при 60 градусах Цельсия, что предотвращает отложение накипи на внутренней поверхности испарителя и не ухудшает его теплопроводящих свойств. Такое абсолютное давление способен создать столб воды в конденсаторе порядка 8 метров. При увеличении высоты столба воды в конденсаторе более 8 метров температура кипения воды в испарителе еще уменьшается, что требует меньших затрат тепловой энергии, подводимой к испарителю.The claimed technical solution allows to reduce the cost of desalination of seawater, since the method uses only renewable solar energy and the energy of hydrostatic pressure of the water column. With an absolute pressure in the evaporator of 0.2 atmospheres, the water boils at 60 degrees Celsius, which prevents scale deposits on the inner surface of the evaporator and does not impair its heat-conducting properties. Such an absolute pressure can create a column of water in the condenser of the order of 8 meters. With an increase in the height of the water column in the condenser more than 8 meters, the boiling point of water in the evaporator decreases further, which requires less heat energy supplied to the evaporator.

Claims

A method of seawater desalination, including saturation of atmospheric air with water vapor in evaporators, supply of a vapor-air mixture to condensers and moisture extraction, characterized in that atmospheric air is saturated with water vapor in evaporators at a pressure below atmospheric pressure to reduce the boiling point of water and the intensity of evaporation due to concentrated solar energy and monitoring systems for the position of the sun in the sky, vacuum in evaporators is created and maintained during operation by vertical columns of fresh water in condensers, vertical condensers are located below the water area with installed check valves for automatic discharge of fresh water into storage tanks communicating with atmospheric air , when the hydrostatic pressure of the column of fresh water in the condensers exceeds the atmospheric pressure, seawater is fed into the evaporator tank due to the created vacuum into the evaporator tanks with a black surface, and its circulation into the vapor To prevent salt deposition, they are forced by means of pumps powered by solar energy, the evaporators are made with a black surface to maximize the absorption of solar radiation energy, the evaporators are placed in translucent flasks to prevent heat energy loss in the evaporators, the vacuum in vacuum flasks is created and maintained by hydrostatic pressure column of fresh water in vertical condensers.