Солнечный опреснитель (варианты)
Опреснитель относится к устройствам опреснения солесодержащих вод (солевых растворов) солнечной энергией и может быть использован в приморских районах, в чрезвычайных ситуациях - на судах, в армии, в госпиталях, в условиях изоляции, в индивидуальных хозяйствах. Согласно первому варианту опреснитель содержит внешний светопрозрачный слой и последующие слои теплопоглощающего абсорбера и теплоизолятора, патрубки входа и выхода воды. Опреснитель дополнительно снабжен мембранным узлом дистилляции солевого раствора, который размещен между слоями абсорбера и теплоизолятора и составлен из слоя микропористой мембраны, которая с обеих сторон покрыта фиксирующим сетчатым слоем, и из слоя пластины, имеющей конденсирующую поверхность, причем все последовательные слои опреснителя герметически прикреплены друг к другу своими краями. Согласно второму варианту опреснитель содержит также водонагревательнвую камеру, которая примыкает к мембранному узлу. Повышается к.п.д. опреснителя и его удельная производительность.
Предлагаемый опреснитель относится к устройствам опреснения солесодержащих вод (солевых растворов) солнечной энергией и может быть использован в приморских районах, в чрезвычайных ситуациях - на судах, в армии, в госпиталях, в условиях изоляции, а также в индивидуальных хозяйствах.
Известные солнечные опреснители содержат внешний светопрозрачный слой и слои теплопоглощающего абсорбера и теплоизолятора. Их работа в большинстве случаев основана на принципах парникового эффекта и перегонки (Солнечные водоопреснительные установки - один из путей снабжения питьевой водой населения отдаленных регионов http://energy.econews.uz, 24.04.2009).
Наиболее близким к предлагаемому является опреснитель, содержащий корпус, установленный на корпусе светопрозрачный слой и размещенные в корпусе слои абсорбера и теплоизолятора, а также входные и выходные патрубки воды (RU 2142913, C02F 1/14,1999).
Работа известного опреснителя основана на принципах парникового эффекта и перегонки и имеет все недостатки, присущие этому типу устройств: неэффективное использование солнечной энергии (к.п.д. 0,3-0,4), большая собственная масса и объем.
Неэффективное использование солнечной энергии обусловлено большими потерями тепловой энергии: отражение с поверхности светопрозрачного слоя, с поверхности и со дна солевого раствора, с поверхности конденсированных капель дистиллята, потери скрытой теплоты парообразования при конденсации, потери от вторичного испарения конденсированных капель, тепловые потери с поверхностей корпуса. Из-за указанных потерь, у известного опреснителя низка удельная производительность J0S (количество дистиллята на единицу рабочей поверхности в сутки), которая составляет 2,5-3 л/м2 в сутки.
Принимая во внимание, что известный опреснитель может быть осуществлен разных размеров и иметь различную собственную массу и объем, целесообразно при сравнениях применять также такую характеристику, как удельная производительность по массе J 0M (количество дистиллята на единицу собственной массы в сутки). Эта характеристика особенно низка в известных башенных многоступенчатых конструкциях (RU 2080141, B01D 1/28, 1997), что свидетельствует об их плохой транспортабельности. Необходимо отметить также сложность конструкции известного опреснителя, особенно его башенного многоступенчатого исполнения, - наличие устройств управления, насосов, отдельного водонагревателя и.т.д.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение к.п.д. опреснителя и его удельной производительности.
В настоящей заявке полезная модель представлена в двух вариантах.
Согласно первому варианту сущность технического решения состоит в том, что опреснитель, содержащий внешний светопрозрачный слой и последующие слои теплопоглощающего абсорбера и теплоизолятора, патрубки входа и выхода воды, согласно изобретению, дополнительно снабжен мембранным узлом дистилляции солевого раствора, который размещен между слоями абсорбера и теплоизолятора и составлен из слоя микропористой мембраны, которая с обеих сторон покрыта фиксирующим сетчатым слоем, и из слоя пластины, имеющей конденсирующую поверхность, причем все последовательные слои опреснителя герметически прикреплены друг к другу своими краями.
Сущность технического решения по первому варианту, состоит также в том, что мембранный узел дистилляции солевого раствора выполнен многоступенчатым и составлен из слоев последовательных одинаковых ступеней.
Согласно второму варианту сущность технического решения состоит в том, что опреснитель, содержащий внешний светопрозрачный слой и последующие слои теплопоглощающего абсорбера и теплоизолятора, патрубки входа и выхода воды, согласно изобретению, дополнительно снабжен мембранным узлом дистилляции солевого раствора и водонагревательной камерой, которые последовательно установлены между слоями абсорбера и теплоизолятора, мембранный узел составлен из слоя микропористой мембраны, которая с обеих сторон покрыта фиксирующим сетчатым слоем, и из слоя пластины, имеющей конденсирующую поверхность, причем все последовательные слои опреснителя герметично прикреплены друг к другу своими крями, а верхняя и нижняя части водонагревательной камеры связаны патрубками с системой горячего водоснабжения.
Сущность технического решения как по первому, так и по второму вариантам, включает также возможность выполнения всех последовательных слоев плоскими либо цилиндрическими, возможность установки входного патрубка солевого раствора между внешним светопрозрачным слоем и слоем теплопоглощающего абсорбера, либо между слоями теплопоглощающего абсорбера и мембранного узла дистилляции, а также возможность выполнения внешнего светопрозрачного слоя двухслойным.
Сущность полезной модели поясняется схематическими чертежами.
На фиг.1 показан общий вид опреснителя с плоскими слоями.
На фиг.2 показан общий вид конструкции из набора опреснителей с цилиндрическими слоями.
На фиг.3 показан разрез опреснителя с расположением входного патрубка между внешним светопрозрачным слоем и слоем абсорбера.
На фиг.4 показан разрез опреснителя с расположением входного патрубка между абсорбером и мембранным узлом.
На фиг.5 показан разрез опреснителя с двухслойным светопрозрачным слоем.
На фиг.6 приведен разрез опреснителя с многоступенчатым мембранным узлом.
На фиг.7 приведен разрез опреснителя с плоскими слоями и водонагревательной камерой.
На фиг.8 приведен разрез опреснителя с цилиндрическими слоями.
На фиг.9 приведен разрез опреснителя с цилиндрическими слоями и с водонагревательной камерой.
Предлагаемый солнечный опреснитель имеет слоистую конструкцию и содержит расположенные последовательно внешний светопрозрачный слой 1, слой теплопоглощающего абсорбера 2, мембранный узел дистилляции солевого раствора и слой теплоизолятора 3. Между светопрозрачным слоем 1 и слоем абсорбера 2 имеется зазор 4. Мембранный узел размещен между слоями абсорбера и теплоизолятора и содержит слой микропористой мембраны 5, которая с обеих сторон покрыта фиксирующим сетчатым слоем 6, и слой пластины 7, имеющей конденсирующую поверхность. Все последовательные слои опреснителя герметично прикреплены друг к другу своими краями, например, с помощью силиконового герметика 8. Опреснитель включает также входной патрубок 9 солевого раствора, выходной патрубок 10 концентрата и выходной патрубок 11 дистиллята.
Согласно первому варианту опреснителя, мембранный узел может быть выполнен, как одноступенчатым (фиг.3, 4, 5), так и многоступенчатым (фиг.6).
В исполнениях с многоступенчатым мембранным узлом ступени последовательны, их слои одинаковы и каждая ступень снабжена своими патрубками 9, 10 и 11. Число ступеней предпочтительно 3-4, как показали наши исследования, большее их число неэффективно.
Согласно второму варианту, опреснитель снабжен также водонагревательной камерой 12, установленной следом за мембранным узлом. Нижняя и верхняя части камеры 12 патрубками 13 и 14 связаны с системой горячего водоснабжения.
Все последовательные слои опреснителя могут быть выполнены как плоскими, так и цилиндрическими. Такие исполнения первого варианта показаны соответственно на фиг.4 и 8, а второго варианта на фиг.7 и 9. При выполнении слоев опреснителя плоскими, он представляет собой плоский пакет. При эксплуатации его ориентируют под соответствующим географической широте данной местности углом к горизонту так, чтобы солнечные лучи падали перпендикулярно плоскости опреснителя (фиг.1). При выполнении слоев опреснителя цилиндрическими, он представляет собой цилиндрический стержень и для его эксплуатации целесообразно устройство изготовлять в виде охваченного рамой набора стержней, как это показано на фиг.2, причем стержни в наборе могут быть установлены вплотную друг к другу или с зазором между ними.
Входной патрубок 9 солевого раствора может быть установлен между внешним светопрозрачным слоем 1 и слоем абсорбера 2. При таком выполнении на абсорбере имеются входное 15 и выходное 16 отверстия для подачи солевого раствора к поверхности мембраны 5. Другим возможным местом размещения патрубка 9 является установка его между слоями абсорбера 2 и мембраны 5. Эти исполнения первого варианта показаны на фиг.3 и 4. Соответствующие исполнения второго варианта имеют такую же конструкцию. На чертежах показано только одно из них (фиг.7).
Внешний светопрозрачный слой 1 опреснителя может быть выполнен двухслойным, с зазором 17 между слоями. Такое исполнение в равной мере относится как к первому варианту, так и ко второму. На чертежах показано только одно из них (фиг.5).
Внешний светопрозрачный слой 1 может быть стеклянным либо из любого другого светопрозрачного материала, например органического стекла, различных пленок и др.
Абсорбер 2 выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопоглощения. Он может быть выполнен в виде металлической пластины (сталь, медь, алюминий и др.) или фольги, которая зачернена краской или электрохимическим способом.
Мембрана 5 представляет собой микропористую пленку из гидрофобного материала. Это, например политетрафторэтилен (ПТФЭ), полипропилен (ПП), поливинилиденфторид (ПВДФ), у которых средний диаметр отверстий 0,15-0,6 мкм.
В качестве фиксирующего слоя 6 может быть использована сетка из полиэтиленового, лавсанового, капронового и др. волокна с диаметром волокна примерно 0,2 мм, размерами ячейки сетки примерно 1 мм×1 мм и термостойкостью 80-150°С.
Пластина 7 с функцией конденсирования паров воды выполнена в виде металлической фольги - алюминиевой или другого металла с высокой теплопроводностью.
Опреснитель работает скледующим образом.
В форме выполнения, показанной на фиг.3, солевой раствор заполняет как зазор 4, так и зазор между абсорбером 2 и мембраной 5, поскольку они сообщаются через отверстия 15 и 16. Нагреваясь от солнечных лучей, абсорбер испаряет воду, создается разность давлений по обе стороны мембраны, что способствует диффузионному прохождению паров через поры мембраны. Пройдя через поры мембраны, пары воды конденсируются на поверхности слоя 7. Полученный дистиллят вытекает через патрубок 11. Особенностью этой формы выполнения является то, что исключена возможность конденсации паров воды на внутренней поверхности светопрозрачного слоя 1, а значит и исключены связанные с этим потери тепловой энергии.
Такой же процесс дистилляции с эффектом уменьшения потерь тепловой энергии имеет место в формах выполнения, показанных на фиг.4 и 8, где зазор 4 герметизирован, а также на фиг.5, где светопрозрачный слой выполнен двухслойным.
Принцип работы многоступенчатой формы выполнения, показанной на фиг.6 состоит в следующем. При конденсации паров воды в первой ступени мембранного узла, выделяется скрытая теплота парообразования, которая переходя к слою 7 нагревает его. Таким образом, конденсирующий слой 7 предыдущей ступени служит источником тепловой энергии для следующей ступени, то есть имеет место процесс рекуперации энергии.
Во втором варианте полезной модели, который относится к формам выполнения с водонагревательной камерой, скрытая теплота парообразования, выделившаяся в мембранном узле дистилляции, передается камере 12 на рекуперацию.
Как формы выполнения с плоскими слоями, так и формы выполнения с цилиндрическими слоями, работают по одинаковому принципу.
По сравнению с известными опреснителями, предлагаемая полезная модель обеспечивает следующие преимущества.
У конструкции мала боковая поверхность, благодаря чему доведены до минимума потери тепловой энергии через боковую поверхность.
Все зазоры, в которых имеет место нагрев соляного раствора, заполнены раствором и массопередача направлена вниз. Благодаря этому, опреснитель может быть ориентирован под любым желаемым углом к горизонту.
Благодаря малому расстоянию между слоями, сопротивление массопередаче мало, отсутствует явление вторичного (повторного) испарения дистиллята и связанные с ним потери тепловой энергии.
Малое расстояние между слоями обуславливает большую величину поверхности массопередачи на единицу объема.
Малая собственная масса опреснителя обеспечивает его транспортабельность и доступность.
Исключена необходимость во вспомогательных устройствах: насосах, узлах управления и других потребителях электроэнергии.
Повышена удельная производительность, как по отношению к единице рабочей поверхности, так и по отношению к единице собственной массы.
1. Солнечный опреснитель, содержащий внешний светопрозрачный слой и последующие слои теплопоглощающего абсорбера и теплоизолятора, патрубки входа и выхода воды, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен мембранным узлом дистилляции солевого раствора, который размещен между слоями абсорбера и теплоизолятора и составлен из слоя микропористой мембраны, которая с обеих сторон покрыта фиксирующим сетчатым слоем, и из слоя пластины, имеющей конденсирующую поверхность, причем все последовательные слои опреснителя герметично прикреплены друг к другу своими краями.
2. Солнечный опреснитель по п.1, отличающийся тем, что мембранный узел дистилляции солевого раствора выполнен многоступенчатым и составлен из слоев последовательных одинаковых ступеней.
3. Солнечный опреснитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что все последовательные слои выполнены плоскими.
4. Солнечный опреснитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что все последовательные слои выполнены цилиндрическими.
5. Солнечный опреснитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что входной патрубок солевого раствора установлен между внешним светопрозрачным слоем и слоем теплопоглощающего абсорбера.
6. Солнечный опреснитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что входной патрубок солевого раствора установлен между слоями теплопоглощающего абсорбера и мембранного узла дистилляции.
7. Солнечный опреснитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что внешний светопрозрачный слой выполнен двухслойным с зазором между слоями.
8. Солнечный опреснитель, содержащий внешний светопрозрачный слой и последующие слои теплопоглощающего абсорбера и теплоизолятора, патрубки входа и выхода воды, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен мембранным узлом дистилляции солевого раствора и водонагревательной камерой, которые последовательно установлены между слоями абсорбера и теплоизолятора, мембранный узел составлен из слоя микропористой мембраны, которая с обеих сторон покрыта фиксирующим сетчатым слоем, и из слоя пластины, имеющей конденсирующую поверхность, причем все последовательные слои опреснителя герметично прикреплены друг к другу своими крями, а верхняя и нижняя части водонагревательной камеры связаны патрубками с системой горячего водоснабжения.
9. Солнечный опреснитель по п.8, отличающийся тем, что все последовательные слои выполнены плоскими.
10. Солнечный опреснитель по п.8, отличающийся тем, что все последовательные слои выполнены цилиндрическими.
11. Солнечный опреснитель по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что входной патрубок солевого раствора установлен между внешним светопрозрачным слоем и слоем теплопоглощающего абсорбера.
12. Солнечный опреснитель по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что входной патрубок солевого раствора установлен между слоями теплопоглощающего абсорбера и мембранного узла дистилляции.
13. Солнечный опреснитель по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что внешний светопрозрачный слой выполнен двухслойным с зазором между слоями.
