Самоочищающийся испарительный элемент солнечной опреснительной установки

(51) 01 3/02 (2006.01) 02 1/14 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ пресной воды при достаточных запасах солной(например, морской) воды. Достигаемый технический результат упрощение устройства, повышение эффективности очистки воды и возможность получения пресной воды в экологически неблагоприятных уголках земли с дефицитом пресной воды удовлетворительного качества,а также в экстремальных условиях (георазведка, места дислокации военных). Самоочищающийся испарительный элемент имеет форму плавучего тела, например, шара или множества шаров, при этом поверхность плавучего тела выполнена из капиллярно-проницаемого материала,и тело вращения снабжено теплоизоляционной сердцевиной, изготовленной из не проводящего тепло материала.(73) Нуртаева Алия Камидолловна Акционерное общество Университет КИМЭП(54) САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СОЛНЕЧНОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ(57) Настоящее изобретение относится к области опреснения морской (солоноватой, загрязненной) воды путем применения солнечной энергии, а именно, к солнечным устройствам по очистке и/или опреснению воды, и может быть использовано для получения пресной воды из солоноватой или морской воды в местностях, где ощущается дефицит Настоящее изобретение относится к области очистки жидкостей путем применения солнечной энергии, а именно к солнечным устройствам по очистке и/или опреснению воды, и может быть использовано для получения пресной воды из солоноватой или морской воды в местностях, где ощущается дефицит пресной воды при достаточных запасах солной(например, морской) воды. Известно, что многие страны мира в силу их географического положения испытывают острую нехватку пресной воды для питья, хозяйственных нужд и ирригации. Мировые запасы пресной воды на Земле ограничены и составляют менее 3 от общих водных ресурсов, а имеющиеся источники пресной воды подвергаются истощению и загрязнению. Дефицит пресной воды удовлетворительного качества становится причиной эпидемий многих инфекционных болезней,вызванных возбудителями, среда обитания которых вода неудовлетворительного качества. Одним из потенциальных источников пресной воды является морская вода, содержание которой на земле превышает 97, и которой богаты многие страны, расположенные на побережье морей и океанов. Процесс очистки или опреснения морской воды является перспективным решением глобальной водной проблемы, однако он в значительной степени энергоемок. Большинство устройств по опреснению воды основаны на процессах испарения - конденсации, в которых используется солнечная энергия, и включают следующие элементы а) герметичная камера с прозрачными стенками и/или куполом и дном б) испаритель в) устройство подачи воды в абсорбер-испаритель г) коллектор для очищенной воды. Простейшие варианты солнечных опреснителей представлены на фиг.1 и 2 (А. Ильин. Школа выживания в природных условиях. - М. Изд-во ЭКСМО, 2003, - с.96.) Простейший солнечный опреснитель,изображенный на фиг.1, состоит из герметично завязанного полиэтиленового мешка, на дне которого поставлен испарительный элемент, состоящий из банки с соленой водой. Солнечные лучи испаряют воду,которая конденсируется на внутренней поверхности мешка и стекает на дно мешка, которое также служит коллектором для очищенной воды. Солнечный опреснитель, изображенный на фиг.2,является более эффективным за счет испарительного элемента, состоящего из темной ленты, которая опущена в сосуд с соленой (загрязненной) водой. Указанный испарительный элемент абсорбирует солнечную энергию и передает ее водному слою,которым она пропитана, интенсифицируя процесс испарения в несколько раз, а следовательно, повышая и производительность опреснительной установки. Таким образом, испарительный элемент выполняет функции испарителя в вышеуказаннной простейшей солнечной установке. Предлагаемое изобретение относится более конкретно к испарительным элементам солнечных опреснительных установок. Известно устройство по очистке (опреснению,обессоливанию) воды с помощью солнечного света 2(Патент США 6274004, МПК 02 1/14 01 003/02, 003/42 опубл. 02.08.1999 г.), состоящее из светопроницаемой крыши,соединенной с расположенной под крышей ванны с водой,подлежащей очистке, коллектора для очищенной воды и подводящих /отводящих трубок, через которые вода подается в ванну, а конденсированная вода с парами отводится в специальный конденсационный аппарат. В данном устройстве испарительный элемент представлен ванной с водой, в которую погружено пластинчатое тело, которое в свою очередь удерживается в воде на некотором расстоянии от поверхности воды с помощью поплавков. Пластинчатое тело имеет поверхность из черного, теплопоглощающего материала с целью увеличения поглощения тепла, а само тело содержит теплоизоляционный материал для уменьшения теплопередачи нижним слоям воды, в результате чего повышается скорость испарения и эффективность указанного устройства по опреснению воды. Пластинчатое тело имеет площадь меньше площади ванны, в которую оно опущено и снабжено отверстиями для циркуляции воды из нижних слоев воды на поверхность. Когда солнечный свет падает на указанное опреснительное устройство, пластинчатое тело поглощает тепло и выделяет это тепло в воду,которая находится над телом. Эта вода имеет температуру выше, чем вода, находящаяся ниже пластинчатого тела. Таким образом, испарение проходит быстрее, и водяной пар поднимется над поверхностью воды, заполняя воздушное пространство,ограниченное крышей. Достигая крыши, пар конденсируется на ней и стекает вниз по крыше, собираясь в водосборных каналах, из которых водяной пар направляется в конденсационный аппарат, соединенный с феном,обеспечивающим конденсацию. Подача воды из источника загрязненной (морской воды) в ванну опреснительного устройства осуществляется с помощью насоса. Таким образом, необходимым элементом функционирования данного устройства является источник электроэнергии, в качестве которого используется солнечная батарея. Недостатками указанного устройства являются 1) В процесс испарения повышается концентрация солей в слое воды над пластинчатым телом вблизи него. Эта соленая вода (рассол) за счет повышенного содержания солей имеет плотность выше плотности исходной, неочищенной воды, а поэтому под действием силы тяжести будет стекать по бокам и через отверстия в пластинчатом теле в нижние, более легкие слои воды. Эта соленая вода также будет уносить значительную часть тепла, так как температура верхнего слоя воды гораздо выше температуры воды ниже пластинчатого тела за счет теплопоглощающей черной поверхности. Потери тепла будут сопровождаться снижением эффективности испарения, а следовательно, и снижением эффективности опреснительной установки. 2) Инерционность процесса(устройства),обусловленная наличием слоя воды, расположенным над поверхностью пластинчатого тела, которое необходимо сначала нагреть до максимально возможной температуры, чтобы инициировать и поддерживать процесс испарения. В результате эффективность процесса испарения снижается. 3) Функционирование указанного устройства по опреснению воды требует применения дополнительного источника энергии, например солнечной батареи. Известен солнечный опреснитель (Патент США 7857945, МПК В 01 3/02, 3/42 опубл. 28.12.2010 г.),содержащий испарительный элемент,который представлен неглубокой ванной с соленой/загрязненной водой, в которую помещены пара роликов и теплопоглощающий или черный бесконечный пояс, имеющий верхнюю внешнюю и нижнюю внешнюю поверхность, обернутый и вращающийся вокруг роликов, так что верхняя внешняя поверхность пояса расположена в воде близко к поверхности воды. Испарительный элемент, входящий в состав данной опреснительной установки, действует следующим образом солнечная энергия проходит через светопроницаемую крышу и падает на испарительный элемент, в частности, на верхнюю внешнюю поверхность теплопоглощающего бесконечной длины пояса, нагревая его. Пояс в свою очередь нагревает относительно тонкий слой воды, заключенный между верхней внешней поверхностью пояса и поверхность воды в ванне, вызывая более эффективное испарение воды. Чтобы обеспечить вращение пояса вокруг роликов требуется источник энергии, в качестве которого использован электромотор, питающийся от солнечной батареи. Недостатками указанного испарительного элемента являются 1) Необходимость применения механического устройства для вращения теплопоглощающего пояса, а именно пары роликов, движимых электромотором. В дополнение к этому, устройство должно включать механизм передачи от электромотора к роликам. Так как указанное механическое устройство будет находиться в агрессивной коррозионной среде с высокой концентрацией солей, особые требования должны налагаться на составные части, элементы, что в конечном итоге повысит стоимость процесса очистки воды и увеличит массу установки, сделав ее более громоздкой. 2) Инерционность процесса(устройства),обусловленная наличием слоя воды, хотя и тонкого,который заключен между внешней верхней поверхностью пояса и поверхностью воды. Этот слой воды необходимо сначала нагреть до максимально возможной температуры, чтобы инициировать и затем поддерживать процесс испарения. В результате эффективность процесса испарения снижается. 3) Функционирование указанного устройство по опреснению воды требует применения дополнительного источника энергии, например солнечной батареи, которая будет приводить в движение электромотор. Наиболее близким к предлагаемому устройству является испарительный элемент солнечной опреснительной установки (Патент США 4187151,МПК 02 1/10, 10/18 01 003/06 опубл. 05.02.1980 г.). Опреснительное устройство представляет собой прозрачную или светопроницаемую камеру переменного объема, приспособленную плавать на поверхности водоема и содержащую воздух внутри камеры над поверхностью воды. Нижняя часть камеры представляет собой испарительный элемент,содержащий натянутую на раму черную ткань, которая пропитывается водой и хорошо поглощает инфракрасное излучение (тепло). Затем она передает это тепло пропитывающей эту ткань воде, подлежащей испарению (очистке). Чтобы избежать образования наростов солевых отложений на ткани, которые нежелательны, так как они уменьшают абсорбционную способность ткани по отношению к солнечному свету,испарительный элемент дополнительно содержит средство для автоматического обновления поверхности воды, например, с помощью храпового механизм и зубчатой передачи, которые будут перемещать бесконечную ленту вдоль рамы. Указанное устройство обладает следующими недостатками 1) Испарительное устройство контактирует со значительным объемом очищаемой воды, передавая ему тепло, тем самым препятствуя развитию максимально возможной температуры на испарительной поверхности, что уменьшает количество образующегося водяного пара в единицу времени. 2) Необходимость использования дополнительных механических устройств таких как храповой механизм и зубчатая передача, которые нуждаются в источнике энергии для приведения в действие очищающих устройств, а следовательно, к утяжелению, удорожанию и снижению надежности работы солнечной установки в связи с использованием различных механических приспособлений. 3) Испарительное устройство имеет значительную массу и контактирует с большим объемом очищаемой воды, что увеличивает инерционность установки обессоливания воды, то есть от момента развертывания установки, до получения первой порции питьевой воды проходит определенное время, необходимое для прогрева испарительного устройства до требуемой для эффективного испарения температуры. Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективного самоочищающегося испарительного элемента солнечной опреснительной установки, в том числе переносной и автономной. Технический результат упрощение устройства,повышение эффективности очистки воды и возможность получения пресной воды в экологически неблагоприятных уголках земли с дефицитом пресной воды удовлетворительного качества, а также в экстремальных условиях(георазведка,места дислокации военных). Технический результат достигается предлагаемым самоочищающимся испарительным элементом солнечной опреснительной установки, включающим темную ткань, находящуюся в воде и пропитанную ею, но в отличие от известного,испарительный элемент изготовлен в форме плавучего тела или их множества, а поверхность плавучего тела выполнена из капиллярно-проницаемого материала, и тело вращения снабжено теплоизоляционной сердцевиной, изготовленной из не проводящего тепло материала. Центр тяжести плавучего тела расположен на уровне поверхности жидкости, так как в этом случае 3 обеспечивается максимальное покрытие поверхности воды множеством плавучих тел и минимизируются потери тепла за счет прямого испарения воды с поверхности жидкости. Тело вращения может быть представлено шаром,сферическим телом,конусообразным или другим телом, способным вращаться на поверхности воды. Множество указанных плавучих тел образуют одеяло, например, в случае шаров, это шаровое одеяло, плавающее на поверхности воды и способствующее повышенной эффективности испарения. Следует отметить, что устройство, содержащее множество плавучих сфер, плавающих на поверхности жидкости, известно (Патент США 3687329, МПК 65 87/18 опубл. 29.08.1972 г.), однако предлагаемое в этом патенте шаровое одеяло выполняет защитную антипожарную функцию при хранении больших объемов легковоспламеняющихся жидкостей в цистернах, баках, путем ограничения эмиссии паров легковоспламеняющихся веществ с поверхности и, как следствие, предохраняя их от пожара. Предлагаемые плавучие сферы изготовлены из термостойкого расплавленного пластика и могут быть полыми либо наполнены огнетушительными средствами, указанные сферы могут быть изготовлены с экваториальными рубцами для облегчения сплавления сферов в точках контакта между смежными сферами в случае пожара. Использование шара или системы шаров в качестве самоочищающегося испарительного элемента в солнечном опреснителе автору неизвестно. Самоочищающийся испарительный элемент в солнечной опреснительной установке представлен на фиг. 3 в виде плавучего тела, например, шара 1,изготовленного из темного теплопоглощающего капиллярно-проницаемого материала 2, например,синтетического войлока, плавающего на поверхности очищаемой жидкости 3, например, воды. Указанный капиллярно-проницаемый материал пропитывается очищаемой водой, образующей тонкий слой на поверхности шара. Для увеличения эффективности испарительного элемента сердцевину плавающего шара 4 изготавливают из теплоизолирующего материала,например, пенопласта. Такая сердцевина сводит до минимума теплообмен между облучаемой поверхностью шара и очищаемой жидкостью, таким образом, повышая интенсивность процесса испарения, а следовательно и эффективность опреснителя, в состав которого входит данный испарительный элемент. Толщина капиллярно-проницаемого слоя 2 выбирается достаточной для достаточного снабжения облучаемой поверхности плавающего шара 1 очищаемой жидкостью 3 при максимально возможной величине облучающего энергетического потока. Испарительный элемент функционирует следующим образом солнечный свет проникает через прозрачную светопроницаемую крышу традиционной опреснительной установки и падает на самоочищающийся испарительный элемент опреснительной установки,например шар,выполненный из темного теплопоглощающего капиллярно-проницаемого материала,например черного синтетического войлока, плавающий на 4 поверхности очищаемой жидкости, например морской воды. Указанный капиллярно-проницаемый материал пропитывается очищаемой водой, образующей тонкий слой на поверхности шара и,обладая теплопоглощающими свойствами, абсорбирует тепло,нагревая воду, пропитывающую шар, которая затем испаряется, покидая поверхность шара и достигая крыши солнечного опреснителя, на которой он конденсируется и затем стекает по боковым стенкам опреснителя в коллекторы. Однако по мере испарения в верхней части шара концентрация солей возрастает вплоть до образования корки на поверхности, и центр тяжести шара смещается вверх. Как результат, шар переворачивается коркой вниз,поворачиваясь обновленной поверхностью по направлению вверх, и обеспечивая таким образом самоочистку от отложений солей на его поверхности, которые растворяются в воде. Таким образом, верхняя часть шара оказывается готовой для продолжения процесса испарения. Следует отметить, что конструкция солнечного опреснителя, включающая наряду с испарительным элементом прозрачную, теплопроницаемую крышу,через которую солнечный свет падает на испарительный элемент, испаряется и затем конденсируется, собираясь в коллекторы для сбора очищенной воды, является стандартной и не входит в область данного изобретения. Испарительным элементом в предлагаемом изобретении является таким образом шар или система шаров, пропитанных очищаемой водой, которая образует тончайший слой на поверхности шара. Устройство отличается автономностью, компактностью и не нуждается в дополнительных источниках энергии. Такой испарительный элемент обладает повышенной эффективностью испарения за счет тончайшего слоя воды на его поверхности, который способен нагреваться в течение короткого периода времени, а также за счет свойства самоочистки,осуществляемой автоматически путем самопереворачивания шара, за счет того, что любое тело стремится занять положение с центром тяжести расположенном в самом низком положении в целях наибольшей устойчивости на воде. Представленные ниже фигуры 4 (а, б, в) показывают последовательно стадии функционирования самоочищающегося испарительного элемента на фиг.4 а изображен плавающий шар 1 из капиллярно-проницаемого материала 2, погруженный в очищаемую жидкость 3, например морскую воду,который облучается энергетическим потоком 4,например солнечным светом. Плавающий шар пропитывается очищаемой жидкостью 3, которая нагревается на облучаемой поверхности шара 1 и покидает ее в виде потока пара 5. Испаренный с поверхности шара 1 объем жидкости непрерывно пополняется потоком 6 очищаемой жидкости 2 под действием капиллярных сил. В начальной стадии испарения центр тяжести 7 плавающего шара 1 совпадает с его геометрическим центром, поэтому плавающий шар 1 находится в состоянии равновесия. Фиг.4 б. По мере испарения очищаемой жидкости,например морской воды 3, с поверхности шара концентрация примесей, например минеральных солей, 26577 в верхней части 8 плавающего шара 1 растет, центр тяжести 7 плавающего шара 1 смещается в его верхнюю половину. Так как центр тяжести плавающего тела всегда стремится занять наинизшее положение, в шаре возникает вращающий момент. Фиг.4 в. При возрастании вращающего момента до величины, достаточной для преодоления силы поверхностного натяжения очищаемой жидкости 3,плавающий шар 1 поворачивается до положения, при котором его часть 8 с высокой концентрацией минеральных солей оказывается в самом нижнем положении. Начинается новый цикл испарения очищаемой жидкости 3. Жидкость с высокой концентрацией минеральных солей из части 8 плавающего шара 1, обладая более высокой удельной плотностью по сравнению с очищаемой водой, стекает вниз потоком 9, в очищаемую жидкость 3. Поток 6 очищаемой жидкости 3 заполняет капиллярный объем плавающего шара 1, освобождающийся за счет покидающих шар потока 5 водяного пара и потока 9 высококонцентрированного раствора минеральных солей. Испарительным элементом может являться система или множество шаров, показанных на фиг.3, 4 (а, б, в). Это множество создает шаровое одеяло на поверхности воды, подвергаемой очистке, минимизируя открытую поверхность жидкости, которая сообщается напрямую с воздухом. Чтобы обеспечить высокую степень покрытия поверхности шарами, может быть использована ограничительная рама, изготовленная из наполненных воздухом полимерных трубок и имеющая форму, например, шестиугольника. На фиг.5 показан пример реализации испарительного элемента,состоящего из множества плавающих шаров 1,заключенных внутри рамы 2, плавающей на поверхности очищаемой жидкости. Следует отметить, что шар не является единственно возможной геометрической формой. Любое тело вращения принципиально способно выполнять ту же роль, что и шар, а именно, обладать возможность переворачиваться в случае смещения центра тяжести в направлении вверх. Примерами таких тел могут быть комбинации двух конусов, цилиндрические варианты тел вращения и пр. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Самоочищающийся испарительный элемент солнечной опреснительной установки, содержащий теплопоглощающую темную ткань, находящуюся в воде, отличающийся тем, что испарительный элемент изготовлен в форме плавучего тела вращения или их множества, а поверхность плавучего тела выполнена из капиллярнопроницаемого материала. 2. Самоочищающийся испарительный элемент солнечной опреснительной установки по п.1,отличающийся тем, что тело вращения снабжено теплоизолирующей сердцевиной.