Обратноосмотическая опреснительная установка для подводных обитаемых объектов
Обратноосмотическая опреснительная установка (ООУ) относится к технологии опреснения природных вод. Преимущественная область использования - опреснение морской воды на подводных обитаемых объектах, например, на подводных лодках, аквапланах, батискафах и т.п. ООУ выполнена в виде, как минимум, трех отдельно расположенных на разных уровнях и функционально объединенных между собой гидравлическими связями блоков: насосного блока, закрепленного через амортизаторы на горизонтальном и вертикальном фундаментах и включающего плунжерный насос высокого давления с электроприводом, пневмогидроаккумулятор, установленный на нагнетательном патрубке насоса, и гибкие рукава; опреснительного блока, закрепленного через амортизаторы на вертикальном фундаменте и включающего фильтр грубой очистки, фильтр тонкой очистки и мембранные аппараты; и блока борбромселективных фильтров, жестко закрепленного на горизонтальном фундаменте. Фильтр грубой очистки заполнен смешанной шихтой из разнородных в отношении электрохимического потенциала металлических частиц, изготовленных из проволоки с соотношением размеров L:D = от 2 до 5, где L - длина отрезка проволоки и D - диаметр проволоки. Фильтр тонкой очистки снабжен сменным картриджем из эластичных волокон, а борбромселективные фильтры загружены борбромселективным сорбентом. Гидравлические связи и арматура выполнены с обеспечением возможности двухступенчатого опреснения воды в мембранных аппаратах, утилизации рассола путем дозирования его в опресненную и в исходную морскую воду, а также возможности последующего сброса опресненной воды и рассола в автономные сборные емкости с доведением объемного соотношения опресненной воды и рассола до величины не менее 1:3. Использование амортизаторов обеспечивает эффективную виброизоляцию установки путем гашения шума и вибрации по отдельности в насосном и опреснительном блоках, т.е. в самих источниках. Предлагаемая полезная модель позволяет: улучшить качество опресненной воды, ресурсные и вибро-шумовые характеристики установки, разместить установку в затесненных условиях подводного обитаемого объекта и уменьшить количество сбросных вод. 1 ил.
Настоящее техническое решение относится к области опреснения природных вод и может быть использовано преимущественно на подводных обитаемых объектах (далее - объекты): глубоководных аппаратах для океанологических исследований шельфа, флоры и фауны; туристических аквапланах; батискафах; всплывающих камерах; подводных лодках гражданского и военного назначений и т.п.
Известна обратноосмотическая опреснительная установка в судовом исполнении (журнал «Судостроение» 
1, 1997, стр.25-26), включающая насос высокого давления, фильтры грубой и тонкой очистки морской воды, обратноосмотические опреснительные элементы (мембранные аппараты), трубопроводы, арматуру, средства управления и контроля. Установка реализует одноступенчатую схему опреснения и выполнена в виде автоматизированного агрегата, смонтированного на единой раме. Недостатком известной установки является ее громоздкость и неудовлетворительные виброшумовые характеристики (ВШХ), поскольку в установке имеются мощные источники шума и вибрации, а средств их гашения не предусмотрено. Кроме того, качество воды при одноступенчатой схеме опреснения не удовлетворяет современным гигиеническим требованиям.
Известна также более совершенная обратноосмотическая опреснительная установка в корабельном исполнении (патент 2186709), содержащая фильтры грубой и тонкой очистки морской воды, насос высокого давления, мембранные аппараты, гидравлические связи и арматуру. Фильтры грубой и тонкой очистки морской воды содержат фильтрующие элементы (сменные картриджи), изготовленные из упругого фильтрующего материала, что обеспечивает некоторое улучшение ВШХ установки.
Данная установка принята в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Основные недостатки, присущие установке по патенту 2186709:
- громоздкая конструкция, обусловленная жестким агрегатированием узлов установки, требует для своего размещения помещение значительного объема в ущерб жизненному пространству экипажа,
- неприемлемые ВШХ установки из-за наличия виброактивных узлов в составе агрегата и возможности возникновения резонансных эффектов, что мешает скрытности объекта и отрицательно сказывается на здоровье экипажа,
- неудовлетворительное качество опресненной воды, обусловленное одноступенчатой схемой опреснения и отсутствием в составе установки узла финишной доочистки воды от токсичных элементов - бора и брома, что вредит здоровью человека, особенно при длительном использовании опресненной воды,
- недостаточный ресурс мембранных аппаратов из-за возможности их биологического обрастания морскими микроорганизмами в длительном плавании может привести к аварийной ситуации, при которой экипаж останется без питьевой воды,
- неприемлемое соотношение количества опресненной воды и рассола - около 90% от общего количества морской воды идет в рассол, и только 10% составляет опресненная вода. Это соотношение обусловлено примененной в установке одноступенчатой схемой опреснения без утилизации рассола. Поскольку сброс рассола за борт невозможен по соображениям скрытности объекта, то для сбора и хранения рассола внутри прочного корпуса потребуются разместить дополнительные цистерны в ущерб жизненному пространству экипажа.
Перечисленные недостатки опреснительной установки по патенту 2186709 создают вредные для здоровья человека условия обитаемости на подводном объекте, особенно при его длительном автономном (вне связи с берегом) плавании.
Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является обеспечение безвредных для здоровья экипажа условий обитаемости в длительном автономном (вне связи с берегом) плавании объекта путем приготовления питьевой воды из морской с помощью обратноосмотической опреснительной установки.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что обратноосмотическая опреснительная установка выполнена в виде, как минимум, трех отдельно расположенных на разных уровнях и функционально объединенных между собой гидравлическими связями блоков: насосного блока, закрепленного через амортизаторы, например, спирально-тросовые виброизоляторы, на горизонтальном и вертикальном фундаментах и включающего плунжерный насос высокого давления с электроприводом, пневмогидроаккумулятор, установленный на нагнетательном патрубке насоса, и гибкие рукава; опреснительного блока, закрепленного через амортизаторы, например спирально-тросовые виброизоляторы, на вертикальном фундаменте и включающего фильтр грубой очистки, фильтр тонкой очистки и мембранные аппараты; блока борбромселективных фильтров, жестко закрепленного на горизонтальном фундаменте. Фильтр грубой очистки снабжен генератором ионов меди, выполненным, например, в виде смешанной шихты из разнородных в отношении электрохимического потенциала металлических частиц, изготовленных из проволоки с соотношением размеров L:D=от 2 до 5, где L - длина отрезка проволоки и D - диаметр проволоки. Фильтр тонкой очистки снабжен сменным картриджем из эластичных, например, полипропиленовых волокон. Борбромселективные фильтры загружены борбромселективным сорбентом, например, макропористой анионообменной смолой на полистирольной основе, а гидравлические связи и арматура выполнены с обеспечением возможности двухступенчатого опреснения воды в мембранных аппаратах, утилизации рассола путем дозирования его в опресненную и в исходную морскую воду, а также возможности последующего сброса опресненной воды и рассола в автономные сборные емкости с доведением объемного соотношения опресненной воды и рассола до величины не менее 1:3.
Конструктивное исполнение обратноосмотической опреснительной установки показано на прилагаемом чертеже на примере обитаемого объекта - подводной лодки (ПЛ). В состав установки входят блоки: насосный блок 1, опреснительный блок 2 и блок борбромселективных фильтров 3. Блоки расположены отдельно друг от друга и разнесены между собой в горизонтальном направлении на расстояния H1 и Н 2 и в вертикальном направлении - на расстояние Н3 . Блоки соединены между собой функционально с помощью гидравлических связей (трубопроводов и гибких шлангов) и арматуры (кранов и дроссельных устройств). Насосный блок 1 содержит плунжерный электронасос со всасывающим 4 и нагнетательным 5 патрубками, пневмогидроаккумулятор 6, установленный на нагнетательном патрубке насоса, и гибкие шланги 7 и 8. Пневмогидроаккумулятор 6 содержит емкость, разделенную упругой мембраной на две полости - полость морской воды, соединенную с нагнетательным патрубком 5, и воздушную полость, заполненную сжатым воздухом. Насосный блок закреплен через амортизаторы 9 к горизонтальному фундаменту и через амортизатор 10 - к вертикальному фундаменту. В качестве амортизаторов могут быть использованы, например, спирально-тросовые виброизоляторы.
Опреснительный блок 2 включает фильтр грубой очистки 11 морской воды, фильтр тонкой очистки 12 морской воды и мембранные аппараты 13, 14 и 15, укомплектованные полупроницаемыми мембранами 16. Фильтр грубой очистки 11 содержит цилиндрический корпус со сменным патроном, заполненным смешанной шихтой из разнородных в отношении электрохимического потенциала металлических частиц, изготовленных, например, из медной и титановой проволоки с соотношением размеров L:D=от 2 до 5, где L - длина отрезка проволоки и D - диаметр проволоки. Указанная шихта в фильтре грубой очистки выполняет функцию генератора ионов меди. Фильтр тонкой очистки 12 снабжен сменным картриджем из эластичных, например, полипропиленовых волокон. Фильтры 11 и 12 расположены последовательно друг за другом, т.е. образуют «каскад». Опреснительный блок закреплен через амортизаторы, например спирально-тросовые виброизоляторы 17 и 18, к вертикальному фундаменту.
Блок борбромселективных фильтров 3 выполнен в виде двухкорпусного аппарата, заполненного борбромселективным сорбентом 19, например, макропористой анионообменной смолой на полистирольной основе. Блок фильтров 3 закреплен на горизонтальном фундаменте жестко, без использования амортизаторов.
Гидравлические связи (трубопроводы 20-24) и арматура (клапаны и дроссельные устройства 25-28) функционально объединяют между собой блоки 1, 2, 3, цистерну исходной морской воды 29, рассольную цистерну 30 и цистерну опресненной воды 31. При этом трубопроводы и арматура выполнены с обеспечением возможности двухступенчатого опреснения воды в мембранных аппаратах, утилизации рассола путем дозирования его в опресненную и в исходную морскую воду, а также возможности последующего сброса опресненной воды и рассола в автономные цистерны с доведением объемного соотношения опресненной воды и рассола до величины не менее 1:3.
Перечисленные составные части установки (блоки) размещаются внутри прочного корпуса 32. Установка работает следующим образом. Исходная морская вода из цистерны 29, находящейся под давлением сжатого воздуха, по трубопроводу 20 поступает в фильтр грубой очистки 11, где происходит задержание крупных взвешенных примесей в слое фильтрующей шихты. Одновременно внутри шихты за счет контакта в морской воде металлических частиц с различным электрохимическим потенциалом происходит анодное растворение более активного металла (в данном случае-меди) с выделением (генерированием) ионов меди. Морская вода, обогащенная ионами меди, поступает в фильтр тонкой очистки, где очищается от тонких (менее 5 мкм) механических примесей. Причем, присутствие ионов меди предотвращает размножение и рост морских микроорганизмов на всем дальнейшем пути движения воды: в фильтре грубой очистки, в фильтре тонкой очистки, на поверхности полупроницаемых мембран, в слое борбромселективного сорбента. Очищенная вода из фильтра 12 через гибкий рукав 7 поступает во всасывающий патрубок 4 насоса высокого давления, и далее из нагнетательного патрубка 5 под рабочим давлением от 5,5 до 5 МПа - в пневмогидроаккумулятор 6, а из него - через гибкий рукав 8 - на вход в мембранный аппарат 13. Гибкие рукава 7, 8 и пневмогидроаккумулятор 6 сглаживают пульсацию потока воды и обеспечивают спокойное, без вибрационных возмущений течение жидкости в мембранных аппаратах.
Опреснение воды в мембранных аппаратах осуществляется в две ступени: опресненная вода на выходе из аппаратов 13 и 14 объединяется и направляется в аппарат 15 в качестве питательной воды второй ступени. Рассол от аппарата 14 распределяется следующим образом: одна часть через дроссельный клапан 26 сбрасывается в рассольную цистерну 30, а другая часть - через дроссельный клапан 25 возвращается во всасывающий патрубок 4 насоса. Рассол от второй ступени по трубопроводу 24 распределяется с помощью дросселей 27 и 28 также на две части: одна часть дозируется в рассольный трубопровод 21, а другая часть - в трубопровод опресненной воды 22. Клапана и дроссели 25-28 настраиваются таким образом, чтобы соотношение количества опресненной воды, сбрасываемой в цистерну 31, и количества рассола, сбрасываемого в цистерну 30, составляло бы не менее 1:3, т.е. опресненной воды должно быть на выходе не менее 33% по сравнению с рассолом. При меньшем значении этого параметра (например, 1:9, как в установке - прототипе) выход опресненной воды составляет всего лишь 10%, что неприемлемо для объекта. Экспериментальным путем установлено также, что для достижения более высокого, чем 1:3, соотношения «опресненная вода-дистиллят» потребовалось бы усложнить гидравлическую схему установки в ущерб положительным свойствам, достигнутым при соотношении 1:3.
Использование амортизаторов, например, спирально-тросовых виброизоляторов, обеспечивает эффективную виброизоляцию установки путем гашения шума и вибрации по отдельности в насосном и опреснительном блоках, т.е. в самих источниках. При этом насосный блок, содержащий вращающиеся и двигающиеся в нескольких плоскостях неуравновешенные массы, является наиболее виброактивным узлом установки. Виброизоляция насосного блока обеспечивается амортизаторами, закрепленными на горизонтальном и вертикальном фундаментах ПЛ.
Что касается опреснительного блока, то в него поступает из насосного блока слабо пульсирующий поток воды, существенно сглаженный благодаря пневмогидроаккумулятору 6 и гибким рукавам 7 и 8. Фильтрация воды через «каскад» фильтров грубой очистки 11 и тонкой очистки 12, представляющих собой упруго деформируемые пористые массы, окончательно гасит энергию пульсирующего потока. В мембранные аппараты поступает уже полностью уравновешенный поток воды, поэтому для виброизоляции опреснительного блока достаточно применение амортизаторов, закрепленных только на вертикальном фундаменте.
На вход в блок борбромселективных фильтров 3 поступает опресненная вода в виде непрерывного ламинарного потока, фильтрация в слое сорбента осуществляется с заведомо малыми (менее 1 м/с) скоростями. Ввиду отсутствия в блоке фильтров потенциальных источников шума и вибрации, виброизоляция блока не требуется, блок крепится к фундаменту жестко.
Разнесенные по высоте и удаленные друг от друга виброизолированные блоки практически не передают вибрационные и шумовые возмущения друг другу, что исключает возможность возникновения резонансных эффектов. Использование же амортизаторов исключает возможность передачи вибрации и шума на прочный корпус ПЛ и на обитающий внутри него экипаж.
Полученная опресненная вода с приемлемым макроионным составом, однако, еще не пригодна для питья, поскольку содержит токсичные микроэлементы бор и бром - такова специфика самого процесса обратноосмотического опреснения. Финишное фильтрование воды через слой борбромселективного сорбента, например, макропористой анионообменной смолы на полистирольной основе, обеспечивает удаление из воды бора и брома и получение полноценной по химическому составу и безвредной для здоровья человека питьевой воды. Приготовленная питьевая вода по трубопроводу 23 сливается в цистерну 31, из которой по трубопроводам раздается потребителям ПЛ (на камбуз, к умывальникам, в душ и т.д.).
Учитывая, что длительное, например, в течение 180 суток и более автономное плавание ПЛ объективно характеризуется сложными, а порой и экстремальными условиями обитаемости для экипажа внутри прочного корпуса ПЛ, а именно: отрицательным воздействием на человека шума и вибрации от работающих механизмов, дефицитом и неудовлетворительным качеством опресненной питьевой воды, невозможностью пополнить запас береговой воды, дефицитом свободного пространства для обитания человека и др., реальным техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является обеспечение безвредных для здоровья экипажа условий обитаемости в длительном автономном (вне связи с берегом) объекта путем приготовления питьевой воды из морской с помощью обратноосмотической опреснительной установки.
Между существенными признаками заявляемой полезной модели и достигнутым техническим результатом проявляется следующая причинно-следственная связь:
1. Признаки «установка выполнена в виде, как минимум, трех отдельно расположенных на разных уровнях и функционально объединенных между собой гидравлическими связями блоков: насосного блока, закрепленного через амортизаторы на горизонтальном и вертикальном фундаментах и включающего плунжерный насос высокого давления с электроприводом, пневмогидроаккумулятор, установленный на нагнетательном патрубке насоса, и гибкие рукава; опреснительного блока, закрепленного через амортизаторы на вертикальном фундаменте и включающего фильтр грубой очистки, фильтр тонкой очистки и мембранные аппараты; и блока борбромселективных фильтров, жестко закрепленного на горизонтальном фундаменте» обеспечивают:
- раздельное размещение блоков в нишах, например, в шпациях прочного корпуса ПЛ, и высвобождение за счет этого дополнительного жизненного пространства, остро необходимого для экипажа в условиях длительного автономного плавания,
- улучшение ВШХ опреснительной установки и за счет этого снижение отрицательного воздействия шума и вибрации на здоровье экипажа. Одновременно повышается скрытность ПЛ и обеспечивается ее жизнеспособность в условиях длительного автономного плавания,
2. Признак «фильтр грубой очистки снабжен генератором ионов меди, выполненным, например, в виде смешанной шихты из разнородных в отношении электрохимического потенциала металлических частиц, изготовленных из проволоки с соотношением размеров L:D=от 2 до 5, где L - длина отрезка проволоки и D - диаметр проволоки» обеспечивает блокирование биологического обрастания фильтрующих поверхностей, продлевает за счет этого ресурс установки и позволяет снабжать экипаж доброкачественной питьевой водой в течение всего периода длительного автономного плавания ПЛ,
3. Признаки «фильтр тонкой очистки снабжен сменным картриджем из эластичных волокон» и «борбромселективные фильтры загружены борбромселективным сорбентом, при этом гидравлические связи и арматура выполнены с обеспечением возможности двухступенчатого опреснения воды в мембранных аппаратах» обеспечивают эффективную предочистку морской воды и получение из морской воды полноценной по химическому составу и безвредной для здоровья человека питьевой воды в достаточном количестве, что жизненно важно для экипажа в условиях длительного автономного (вне связи с берегом) плавания.
4. Признаки «гидравлические связи и арматура выполнены с обеспечением возможности двухступенчатого опреснения воды в мембранных аппаратах, утилизации рассола путем дозирования его в опресненную и в исходную морскую воду с последующим сбросом опресненной воды и рассола в автономные сборные емкости и доведением объемного соотношения опресненной воды и рассола до величины не менее 1:3» позволяют минимизировать количество сбросных вод и уменьшить объем «грязных» цистерн, за счет чего увеличится жизненное пространство для размещения экипажа, что жизненно необходимо в условиях длительного автономного плавания. При этом имеется в виду, что сброс «грязных» вод за борт в условиях длительного автономного плавания в целях обеспечения скрытности ПЛ невозможен.
При изучении общедоступных и ограниченно доступных источников информации заявителями и авторами не выявлены технические решения, порочащие новизну и полезность заявляемого технического решения.
Обратноосмотическая опреснительная установка для подводных обитаемых объектов, содержащая фильтры грубой и тонкой очистки морской воды, насос высокого давления, мембранные аппараты, гидравлические связи и арматуру, отличающаяся тем, что установка выполнена в виде, как минимум, трех отдельно расположенных на разных уровнях и функционально объединенных между собой гидравлическими связями блоков: насосного блока, закрепленного через амортизаторы на горизонтальном и вертикальном фундаментах и включающего плунжерный насос высокого давления с электроприводом, пневмогидроаккумулятор, установленный на нагнетательном патрубке насоса, и гибкие рукава; опреснительного блока, закрепленного через амортизаторы на вертикальном фундаменте и включающего фильтр грубой очистки, фильтр тонкой очистки и мембранные аппараты; и блока борбромселективных фильтров, жестко закрепленного на горизонтальном фундаменте, причем, фильтр грубой очистки заполнен смешанной шихтой из разнородных в отношении электрохимического потенциала металлических частиц, изготовленных из проволоки с соотношением размеров L:D = от 2 до 5, где L - длина отрезка проволоки и D - диаметр проволоки, фильтр тонкой очистки снабжен сменным картриджем из эластичных волокон, а борбромселективные фильтры загружены борбромселективным сорбентом, при этом гидравлические связи и арматура выполнены с обеспечением возможности двухступенчатого опреснения воды в мембранных аппаратах, утилизации рассола путем дозирования его в опресненную и в исходную морскую воду с последующим сбросом опресненной воды и рассола в автономные сборные емкости и доведением объемного соотношения опресненной воды и рассола до величины не менее 1:3.
