close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3304

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3304
(13)
C1
(51)
(12)
6
C 02F 1/04
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ
(21) Номер заявки: 970013
(22) 1997.01.13
(46) 2000.03.30
(71) Заявитель: Академический
научный
комплекс "Институт тепло- и массообмена
им. А. В. Лыкова" НАН Беларуси (BY)
(72) Авторы: Гринчик Н.Н., Мартыненко О.Г.,
Павлюкевич Н.В. (BY)
(73) Патентообладатель: Академический
научный
комплекс "Институт тепло- и массообмена им.
А. В. Лыкова" НАН Беларуси (BY)
BY 3304 C1
(57)
1. Система для опреснения морской воды, содержащая паровой котел, деаэратор, циркуляционный насос,
конденсатор пресной воды со сборником пресной воды, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит турбину, устройство отбора отработанного пара, конденсатор, сборник конденсата, образующие с паровым котлом замкнутый контур, а также теплообменник с вихревыми гидравлическими трубками, пленочный
испаритель со сборником рассола, сепаратор, устройство подачи морской воды в теплообменник, промежуточный контур с циркуляционным насосом промежуточного контура, механически связанного с турбиной,
связывающий конденсатор и теплообменник между собой, при этом вход циркуляционного насоса связан с
выходом теплообменника, а выход - со входом деаэратора, причем циркуляционный насос механически связан с турбиной, вход пленочного испарителя связан с выходом теплообменника, а выход через сепаратор - со
входом конденсатора пресной воды, выход деаэратора связан со входом теплообменника.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что камеры пленочного испарителя, конденсатора пресной воды
и деаэратора снабжены водоструйными насосами, механически связанными с турбиной.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что конденсатор пресной воды выполнен в виде мелкодисперсного факела распыленной пресной воды, при этом насос высокого давления выполнен с приводом от турбины.
(56)
1. Коваленко В.Ф., Лукин Т.Я. Судовые опреснительные установки. - Л.: Судостроение, 1970. - С. 303.
2. WO 9402419 A1, МПК5 C02F 1/04, B01D 3/10, 1994 (прототип).
BY 3304 C1
Изобретение относится к получению пресной воды. Изобретение может быть использовано для опреснения морской воды, в ректификационных и дистилляционных установках, а также улучшения качества питьевой воды, которая, например, загрязнена солями тяжелых металлов.
Известны системы для опреснения морской воды на основе дистилляции [1]. В настоящее время более
90 % опресненной морской воды вырабатывается на дистилляционных установках самых различных типов
конструкций. В дальнейшем изложении будем рассматривать только дистилляционные установки.
Недостатком указанных устройств является то, что повышенная жесткость морской воды, обусловленная
значительным содержанием ионов Са++, Mg++, О4--, СО3--, НСО3-, приводит в процессе ее упаривания к интенсивному образованию накипи.
Проблема накипеобразования менее остра для глубоковакуумных опреснителей, но здесь ее решение достигается достаточно дорогой ценой - путем усложнения установки, значительного увеличения поверхностей
конденсатора и испарителя.
Попыткам уменьшить эти поверхности путем интенсификации теплообмена, предпринятым в последние
годы, препятствует, как известно, все возрастающая интенсивность отложения накипи по мере увеличения
тепловых потоков.
Не будет преувеличением сказать, что и до сих пор накипеобразование - главный тормоз на пути усовершенствования опреснительных установок (уменьшения их размеров и стоимости, увеличения экономичности
и упрощения обслуживания). Несмотря на то, что в последние годы найдено немало эффективных методов
снижения накипеобразования, проблема не может считаться решенной, так как каждый из этих методов имеет свои недостатки и пригоден только для определенных условий [1].
Основной показатель, наиболее точно определяющий трудоемкость изготовления и расход материалов, а
следовательно, и стоимость опреснителя - величина его теплообменной поверхности. По данным [1] стоимость теплообменников в составе опреснительной установки составляет 50-60 % от ее общей стоимости. Отнесенная к поверхности нагрева стоимость опреснителей одного и того же типа, изготовленных различными
фирмами, различается не более чем на 25-40 %. Ожидать лучшего совпадения и не приходится, так как опреснители различных фирм различаются по конструкции. Строго говоря, стоимость опреснителя следует
относить к суммарной поверхности испарителя и конденсатора, но данные по величине последней
встречаются крайне редко.
По данным [1] даже при самой малой производительности (0,9 т в сутки) стоимость насосов, приборов и
автоматики не превышает 37 % от стоимости всей установки. С увеличением производительности доля
стоимости этого оборудования, естественно, уменьшается и при 20-30 т/сутки она уже составляет 12-15 %.
Это подтверждает правомерность определения стоимости опреснителей по размерам их поверхности нагрева
даже и для многоступенчатых адиабатных опреснителей [1].
Наиболее близким к предлагаемому устройству является система для получения дистиллированной воды
[2], которая содержит кипятильную и конденсационную камеру, камеры дегазации и вакуумирования. Недостатком такой системы по-прежнему является проблема накипеобразования в кипятильной камере и теплообменных поверхностях.
Задачей изобретения является значительное снижение площади теплообменных поверхностей, уменьшение накипеобразования, уменьшение стоимости опреснения и повышение надежности системы опреснения
морской воды не менее чем в 3-4 раза.
Этот результат достигается за счет того, что для нагрева морской воды и снижения накипеобразования
предлагается объемный нагрев при превращении механической энергии в тепловую. В литературе известный
эффект Джоуля-Томсона (1853-1854) рассматривается применительно только к газам при их адиабатическом
протекании через пористую перегородку по направлению от большего давления к меньшему и изменению их
температуры. Ранее в 1843-1850 гг. Джоуль экспериментально показал, что теплота может быть получена за
счет механической работы и определил механический эквивалент теплоты. Для нагрева морской воды будет
использоваться серийное оборудование тепловой электростанции. Модификации будет подлежать только
турбина.
Предлагаемая турбина не будет содержать электрических проводов, она не будет вырабатывать электрическую энергию. Вал турбины будет являться приводом мощного насоса, который по замкнутому контуру, с
большой скоростью гоняет воду. При этом вода проходит через систему специальных гидравлических вихревых дросселей, где и происходит основное выделение тепла. Вихревой гидравлический дроссель представляет собой циклонную камеру с тангенциальной подачей морской воды, при этом основное выделение
тепла происходит в сужающейся части камеры.
Отработанный после турбины пар будет конденсироваться на указанных вихревых дросселях. В силу
больших скоростей движения морской воды на трубах не будет образовываться накипь и фактически будет
реализован принцип объемного нагрева морской воды. К.п.д. превращения механической энергии в тепловую с использованием российского насоса марки КММ 50-32-125 (подача 25 м/ч, напор 32 м, мощность
2
BY 3304 C1
электрического двигателя 5,5 кВт) составляет 94-98 %. При использовании турбин тепловой электростанции
не происходит потерь в передачах на превращение энергии, а пар используется как и в обычных схемах нагрева морской воды с помощью теплообменников. При этом при нагреве воды до 40 °С происходит интенсивная "холодная" деаэрация воды. Как известно, в обычной воде содержится 10-15 мг O2, СО2 и другие газы. Данные газы отрицательно влияют на работу широко распространенных многоступенчатых
адиабатических испарителей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что система для опреснения морской воды, содержащая
паровой котел, деаэратор, циркуляционный насос, конденсатор пресной воды со сборником пресной воды,
отличающаяся тем, что она дополнительно содержит турбину, устройство отбора отработанного пара, конденсатор, сборник конденсата, образующие с паровым котлом замкнутый контур, а также теплообменник с
вихревыми гидравлическими трубками, пленочный испаритель со сборником рассола, сепаратор, устройство
подачи морской воды в теплообменник, промежуточный контур с циркуляционным насосом промежуточного контура, механически связанного с турбиной, связывающий конденсатор и теплообменник между собой,
при этом вход циркуляционного насоса связан с выходом теплообменника, а выход - со входом деаэратора,
причем циркуляционный насос механически связан с турбиной, вход пленочного испарителя связан с выходом теплообменника, а выход через сепаратор - со входом конденсатора пресной воды, выход деаэратора
связан со входом теплообменника, а камеры пленочного испарителя, конденсатора пресной воды и деаэратора снабжены водоструйными насосами, механически связанными с турбиной. При этом конденсатор пресной воды выполнен в виде мелкодисперсного факела распыленной пресной воды, а насос высокого давления выполнен с приводом от турбины.
На фигуре представлена принципиальная схема системы для опреснения морской воды.
Согласно фигуре, система для опреснения морской воды содержит: паровой котел 1, турбину 2, устройство
отбора отработанного пара 3, конденсатор ТЭС 4, паровую трубку 5, конденсат отработанного пара 6, сборник конденсата 7, циркуляционный насос 1-го контура 8, теплообменник 9, вихревую гидравлическую трубу
10, циркуляционный насос 2-го контура 11, деаэратор 12, сепаратор 13, испаритель пленочный 14, теплообменник 15, сборник рассола морской воды 16, распылитель-конденсатор пресной воды 17, сборник пресной
воды 18.
Предлагаемая система для опреснения морской воды работает следующим образом. Источником энергии
является паровой котел 1, работающий в штатном режиме тепловой электрической станции (ТЭС)
(см. фиг. 1). Перегретый пар, как и обычно, приводит в движение турбину 2, которая через соответствующие
механические передачи связана с циркуляционными насосами 8 и 11 (на схеме передачи не указаны).
Предварительно конденсатор ТЭС 4 и теплообменник 9 необходимо заполнить дистиллированной деаэрированной водой. Сборник морской воды 16 заполнить деаэрированной морской водой. Сборник пресной
воды 18 заполнить деаэрированной пресной водой. В магистралях циркуляционных насосов 8 и 11 не должно быть воздушных пробок.
Как и на стандартной ТЭС, из парового котла 1 пар проходит турбину 2, отбирается устройством 3 и конденсируется в конденсаторе 4 в паровых трубках 5 (для удобства на схеме указана только одна трубка). Пар
конденсируется и конденсат пара 6, который представляет собой дистиллированную воду, собирается в
сборнике конденсата 7 и далее опять поступает в паровой котел 1.
За счет конденсации происходит нагрев промежуточного теплоносителя - дистиллированной воды. Дистиллированная вода непрерывно прокачивается насосом 8 через конденсатор 4 и теплообменник 9. Объем дистиллированной воды и скорость прокачки рассчитываются таким образом, чтобы дистиллированная вода нагревалась до
температуры не выше 90 °С. В противном случае в теплообменнике 9, где происходит контактный нагрев дистиллированной водой морской воды через систему вихревых гидравлических труб 10 (на схеме указана одна гидравлическая труба), может начаться образование накипи. Конечно, вследствие больших скоростей движения морской
воды в вихревой трубе 10 этот процесс маловероятен, но дело в том, что в "застойных зонах", в магистралях
образование накипи все-таки возможно и по крайней мере на первом этапе, как и обычно, нагрев следует вести
только до 90 °С. В то же время морская вода, как уже подробно нами рассматривалось ранее, дополнительно объемно разогревается в вихревой трубе 10 за счет работы циркуляционного насоса 11, который связан с турбиной 2
системой механических передач. При прохождении морской воды через вихревую гидравлическую трубу 10 происходит активная деаэрация воды вследствие образования кавитационных пузырьков. В деаэраторе 12, который
представляет собой широкий лоток, где морская вода движется в ламинарном режиме со скоростью 0,2-0,3 м/с в
тонком слое, избыток воздуха удаляется насосом (на схеме не указан).
Нагретая до температуры 90 °С вода поступает в пленочный испаритель 14, где и происходит ее частичное испарение. Пары морской воды очищаются от мелких соленых капель в сепараторе 13 и конденсируются
не на медных трубках, а на факеле распыленной пресной воды. Диаметр капелек распыленной холодной воды должен составлять в среднем 40-80 мкм и поэтому сам факел распыления имеет гигантскую площадь
конденсации.
Поток пара направлен из испарителя 14 в конденсатор 17 вследствие перепада температур, поэтому исключен заброс мелких капель из конденсатора 17 в испаритель 14. Однако этот процесс станет невозможным
3
BY 3304 C1
при наличии в системе большого количества воздуха или его выделения из морской воды (эффект Стефана образование конвективных токов воздуха при конденсации), поэтому периодически в системе необходимо
проверять давление воздуха и снижать его до давления 10-15 мм рт. ст. Для реализации предлагаемой системы конденсации необходима эффективная работа деаэратора 12.
Вследствие выделения теплоты конденсации пресная вода нагревается, поэтому теплота конденсации используется для нагрева свежей холодной морской воды, которая нагревается в теплообменнике 15 в верхней
части сборника пресной воды 18. Далее морская вода дополнительно разогревается в теплообменнике 15. Нагретая морская вода поступает в теплообменник 9.
Охлажденная после распыления пресная вода в сборнике пресной воды 18 затем опять подается к распылителям 17. Распылитель 17 представляет собой или систему вращающихся дисков или систему впрыска
пресной воды за счет перепада давления.
Из сборников рассола 16 и пресной воды 18 непрерывно удаляется некоторое количество рассола и пресной воды.
Для удаления рассола и пресной воды используют водоструйные насосы (на схеме не указаны), которые
одновременно, вследствие эжекции, создают разрежение в камере деаэрации 12 и вакуумных камерах 16, 18.
Водоструйные насосы соединены с валом отбора мощности турбины. Конечно, в установку должно поступать определенное количество морской воды, удаляться рассол и пресная вода.
Отметим, что в емкостях 4 и 9 необходимо поддерживать давление и скорости, чтобы нагретая на поверхности теплообмена дистиллированная вода не закипала и оставалась в жидком виде, необходимо тратить
энергию на работу циркуляционного насоса высокого давления (как на атомной станции).
В данном случае затраты энергии преобразуются в дополнительный нагрев дистиллированной, а следовательно, и морской воды.
Предлагаемая схема является исключительно простой и надежной в работе. Действительно, на современных АЭС с промежуточным теплоносителем и высоком давлении реакторы работают устойчиво десятки лет.
Отказ от насосов высокого давления приводит к ненадежной работе АЭС в режиме малой мощности. В нашем случае насос 8 играет исключительно положительную роль, он приводит к объемному нагреву теплоносителя - дистиллированной воды.
При температуре 90 °С давление паров воды составляет 550 мм рт. ст., а при 25-30 °С - только 15-20 мм
рт. ст. Процесс идет вследствие перепада давления. В современных адиабатных установках на 1 тонну пресной воды нужно прокачать через конденсатор до 10-20 тонн холодной морской воды.
В данной установке также необходима прокачка, но вследствие того, что теплообмен между средой жидкость-жидкость во много раз эффективнее, чем между средами газ-жидкость, и вследствие частичного объемного нагрева длина медных труб уменьшится в несколько раз.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
132 Кб
Теги
патент, by3304
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа