устройство для разбрызгивания жидкости и способ и система для опреснения соленой воды, использующие указанное устройство для разбрызгивания жидкости

Формула изобретения

1. Устройство для разбрызгивания жидкости, содержащее форсунку с рабочей камерой, канал для подвода жидкости в указанную рабочую камеру форсунки, на выходе которой имеется сопло, и генератор давления, отличающееся тем, что генератор давления представляет собой импульсный генератор давления, причем указанный генератор давления установлен внутри рабочей камеры форсунки и соединен с генератором электрических или электромагнитных импульсов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между рабочей камерой форсунки и ее соплом имеется кольцевая камера, сообщающаяся по меньшей мере с двумя акустическими резонаторами, представляющими собой полости.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанные акустические резонаторы равномерно разнесены по окружности.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый резонатор включает в себя группу полостей, каждая из которых рассчитана на собственную частоту колебаний.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанные полости выполнены с возможностью изменения объема для регулирования их собственной частоты.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что импульсный генератор давления содержит по меньшей мере одну пару электродов.

7. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что импульсный генератор давления содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент.

8. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что импульсный генератор давления содержит по меньшей мере один электродинамический элемент.

9. Система для опреснения соленой воды, содержащая по меньшей мере одно устройство для разбрызгивания воды, камеру испарения и камеру конденсации, отличающаяся тем, что устройство для разбрызгивания воды представляет собой устройство для разбрызгивания жидкости, раскрытое в п.1.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном устройстве для разбрызгивания воды между рабочей камерой форсунки и ее соплом имеется кольцевая камера, сообщающаяся по меньшей мере с двумя акустическими резонаторами, представляющими собой полости.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что указанные акустические резонаторы равномерно разнесены по окружности.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном устройстве для разбрызгивания воды каждый резонатор включает в себя группу полостей, каждая из которых рассчитана на собственную частоту колебаний.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном устройстве для разбрызгивания воды импульсный генератор давления содержит по меньшей мере одну пару электродов.

14. Система по п.12, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном устройстве для разбрызгивания воды импульсный генератор давления содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент.

15. Система по п.12, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном устройстве для разбрызгивания воды импульсный генератор давления содержит по меньшей мере один электродинамический элемент.

16. Система по п.12, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном устройстве для разбрызгивания воды указанные полости выполнены с возможностью изменения объема для регулирования их собственной частоты.

17. Система по любому из пп.9-16, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере два устройства для разбрызгивания воды и дополнительно содержит программируемый блок управления генерацией электрических или электромагнитных импульсов, позволяющий задавать режим подачи импульсов на указанные генераторы давления, определяющий последовательность функционирования указанных устройств для разбрызгивания воды.

18. Способ опреснения соленой воды, включающий следующие шаги:

подачу соленой воды в систему для опреснения соленой воды;

разбрызгивание соленой воды в испарительную камеру;

испарение капель в испарительной камере с выделением соли;

осаждение выделенной соли;

сбор опресненной воды,

отличающийся тем, что на первом шаге соленую воду подают в систему для опреснения соленой воды, выполненную по любому из пп.9-17, с одновременной подачей импульсов на указанный по меньшей мере один импульсный генератор давления, расположенный в указанной по меньшей мере одной рабочей камере форсунок, таким образом, чтобы осуществить пакетное капельное разбрызгивание, многократно повышающее эффективность испарения.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что используют блок управления генерацией электрических или электромагнитных импульсов, задающий последовательность поступления импульсов на каждый генератор давления в соответствии с заранее заданной программой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для разбрызгивания жидкости и к способу и системе для опреснения соленой воды разбрызгиванием, в которых использовано указанное устройство для разбрызгивания жидкости.

В настоящее время для получения пресной воды применяются мембранная и дистилляционная опреснительные технологии, использование которых требует значительные расходы энергии. Сегодня литр опресненной воды обходится дороже естественной воды в несколько раз ввиду высоких капитальных и энергетических затрат. Кроме этого необходимая энергия получается в основном путем сжигания ископаемого топлива. Сжигание ископаемых видов топлива способствует загрязнению окружающей среды и процессу глобального потепления, что неблагоприятно влияет на водный баланс. На сегодняшний день альтернативные источники энергии при опреснении используются незначительно. Высокие производственные затраты сильно ограничивают их распространение, по крайней мере в ближайшем будущем. Актуальна разработка технологий опреснения - более экономичных и потребляющих меньше не возобновляемой энергии.

Одно из направлений поиска альтернатив традиционным технологиям опреснения морской воды - это разработка способов опреснения соленой воды путем разбрызгивания. Опреснение испарением при помощи разбрызгивания может обеспечивать процесс опреснения морской воды при низких энергетических и материальных затратах. При этом не используют химические реагенты и не происходит загрязнения окружающей среды.

Известен способ разделения жидких и твердых фракций путем распыления жидкой смеси на капли диаметром приблизительно 0,5-6 микрон, впрыскивания капель со скоростью от 600 фут/с (приблизительно 183 м/с) до звуковых скоростей в зону переноса окружающим воздухом, где капли стремительно теряют воду в процессе испарения в границах короткого участка, примерно 30 см от точки впрыска. Затем капли разделяют на твердую и жидкую фазы на выходе из зоны переноса (патент США №4,323,424).

Известен способ опреснения и регенерации воды, включающей распыление в камере смеси, состоящей из капель соленой воды диаметром 7-30 мкм и сжатого воздуха, с соотношением массовых расходов - около 1 части сжатого воздуха на 10 частей соленой воды. Распыление в камере производят без нагрева капель со скоростью по меньшей мере 200 м/с для того, чтобы отделить от капель испаряющейся воды растворенные в ней примеси соли и аккумулировать взвесь капель чистой воды внутри камеры. Затем из камеры удаляют накопившуюся взвесь капель чистой воды со скоростью, регулируемой вентилятором, поддерживающим капли чистой воды во взвешенном состоянии. Потом вымывают капли чистой воды из удаляемой взвеси капель чистой воды и собирают чистую воду (патент США №5,207,928).

В указанных способах с помощью сжатого воздуха через эжекционное сопло формируют непрерывный, направленный в камеру испарения поток капелек соленой воды размером до 10 мкм, разбрызгиваемый с высокой скоростью. За счет высокой скорости (до 200 м/с) достигают локальное понижение давления, при этом снижается точка термодинамического равновесия (закон Гиббса) и испарение происходит более активно. Капли, по сравнению с порождающей их струей воды, имеют большую площадь поверхности. Взаимодействие с внешним воздухом обеспечивает поступление энергии для испарения.

После испарения капель частицы соли и потоки пара разделяют. Паровоздушный поток поступает в камеру, где пар конденсируется в пресную воду, а более тяжелые частицы соли выпадают под действием гравитации в донную часть установки или собираются с помощью специальных фильтров.

При малых размерах частиц соли (до 30 мкм) по закону Стокса скорости осаждения так малы, что соль не успевает отводиться из зоны испарения. Поэтому поток выпадающей соли приходится отделять от паровоздушного потока. Для этого в ряде случаев используются потоки окружающего воздуха, формируемые в восходящем или наклонном направлении с помощью дополнительных вентиляторов, включаемых периодически, или частицы соли собираются с помощью специальных фильтров. Все это усложняет и удорожает устройства и процессы для опреснения воды. Кроме того, пневматический способ разбрызгивания воды энергетически и экономически не эффективен.

Известен способ и устройство разделения жидкой и твердой фазы в водных растворах, описанный в патенте США 6,299,735, который выбран в качестве прототипа.

Данный способ включает введение водного раствора в рабочую камеру форсунки и затем жидкий раствор проходит через сопла, в результате чего происходит активизация движения жидких растворов без сжатого воздуха. Сопла ускоряют растворы с 80 м/с до 300 м/с для создания реактивного потока капель жидкости. Впрыскивание раствора в рабочую камеру происходит вертикально и непрерывно.

Разбрызгивание воды с высокой скоростью (80-300 м/с) с помощью специального сопла обеспечивает получение потока капель воды с размерами от 30 до 100 мкм. При таких параметрах процесса обеспечивается как полное испарение капель, так и образование частиц соли значительных размеров, при которых частицы соли достаточно быстро выпадают под действием гравитации. Тем самым уменьшается время взаимодействия частиц соли с паровоздушными потоками, что делает описываемый способ более эффективным в сравнении с вышеприведенными патентами. Предложенные устройства разбрызгивания имеют малую единичную производительность (до 0,06 л/с) и для получения высокой производительности установки в целом в них применяется до 500 сопел.

Недостатки:

- Значительное количество сопел усложняет процесс разделения соли и паровоздушных потоков и может свести на нет преимущества, имеющие место для единичного устройства разбрызгивания, заявленного в патенте.

- Применение одного общего для всей системы форсунок источника давления затрудняет возможности регулирования процесса в отдельных форсунках. Это требуется при настройке всего устройства из-за технологического разброса параметров форсунок и при уходе параметров форсунок вследствие износа, загрязнения и т.д., а также при изменении параметров воды и воздуха на входе в систему.

- Гидравлический способ для достижения высоких скоростей требует создания высоких давлений, что для достижения высоких скоростей реализации может привести к значительному усложнению и удорожанию метода из-за необходимости создания специализированных насосов высокого давления, пригодных для работы с соленой водой.

- Процесс испарения черпает энергию внешнего воздуха и, следовательно, его эффективность зависит от температуры и влажности воздуха, а также от температуры и солености воды. При изменениях температуры или влажности воздуха, температуры и состава воды, например, вследствие суточных или сезонных колебаний эффективность процесса может значительно снижаться.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса опреснения методом разбрызгивания при снижении капитальных и эксплуатационных затрат путем повышения эффективности испарения и полного разделения выпадающей соли и паровоздушных потоков за счет перехода от непрерывного процесса разбрызгивания к импульсному (дискретному по времени и адаптивно управляемому).

Это достигается тем, что в устройство для разбрызгивания жидкости, содержащее форсунку с рабочей камерой, канал для подвода жидкости в указанную рабочую камеру форсунки, на выходе которой имеется сопло, непосредственно внутри рабочей камеры форсунки установлен импульсный генератор давления, который соединен с генератором электрических или электромагнитных импульсов.

Применение импульсного генератора давления обеспечивает переход от непрерывного процесса разбрызгивания к импульсному.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов в устройстве для разбрызгивания жидкости между рабочей камерой форсунки и ее соплом имеется кольцевая камера, сообщающаяся по меньшей мере с двумя акустическими резонаторами, представляющими собой полости. Это обеспечивает возбуждение акустических колебаний разбрызгиваемой воды и образование капель.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов указанные акустические резонаторы равномерно разнесены по окружности. Это обеспечивает устойчивость акустических колебаний разбрызгиваемой воды и снижает разброс размеров капель.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов каждый резонатор включает в себя группу полостей, каждая из которых рассчитана на собственную частоту колебаний. Это обеспечивает получение капель определенных монодисперсных (одинаковых) размеров.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов указанные полости выполнены с возможностью изменения объема для регулирования их собственной частоты. Этим обеспечивается регулирование размеров капель.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов импульсный генератор давления представляет собой по меньшей мере одну пару электродов. Это обеспечивает высокую скорость разбрызгивания при подаче импульсов от генератора электрических импульсов на электроды вследствие электрогидравлического эффекта.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов импульсный генератор давления содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент. Это обеспечивает высокую скорость разбрызгивания при подаче импульсов от генератора электрических импульсов на электроды пьезоэлектрического элемента.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов генератор давления содержит по меньшей мере один электродинамический элемент. Это обеспечивает высокую скорость разбрызгивания при подаче импульсов от генератора электрических импульсов на рабочую обмотку электродинамического элемента или электромагнитных импульсов на внешнюю обмотку возбуждения.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов в системе для опреснения соленой воды, содержащей по меньшей мере одно устройство для разбрызгивания воды, камеру испарения и камеру конденсации, устройство для разбрызгивания воды представляет собой устройство для разбрызгивания жидкости, указанное выше. Это обеспечивает переход от непрерывного процесса разбрызгивания к импульсному процессу разбрызгивания жидкости.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов система для опреснения соленой воды содержит по меньшей мере два устройства для разбрызгивания воды и дополнительно содержит программируемый блок управления генерацией электрических или электромагнитных импульсов. Это позволяет задавать режим подачи импульсов для обеспечения определенной последовательности в функционировании указанных устройств для разбрызгивания воды и обеспечивает адаптивное управление импульсным процессом опреснения. Измерительная подсистема блока управления обеспечивает получение информации о параметрах процесса.

Кроме того, заявлен способ опреснения соленой воды, который включает следующие шаги:

- подачу соленой воды в систему для опреснения соленой воды;

- разбрызгивание соленой воды в испарительную камеру;

- испарение капель в испарительной камере с выделением соли;

- осаждение выделенной соли под действием сил тяжести;

- сбор опресненной воды,

причем в отличие от прототипа соленую воду подают в систему для опреснения соленой воды, выполненную по любому из раскрытых выше вариантов с одновременной подачей импульсов на импульсные генераторы давления, расположенные в рабочих камерах форсунок, что позволяет осуществить пакетное капельное разбрызгивание, многократно повышающее производительность устройства для опреснения за счет повышения эффективности испарения и повышения качества опреснения (снижение остаточной солености на выходе) за счет более полного разделения соли и паровоздушных потоков.

В результате удается получить следующие преимущества.

- Большая суммарная поверхность капель в пакете, пониженное локальное давление вследствие высокой скорости полета пакета и интенсивный теплообмен пакетов в отличие от непрерывного процесса разбрызгивания, используемого в прототипе, обеспечивает эффективное испарение капель.

- Использование предлагаемых импульсных генераторов давления обеспечивает получение требуемых высоких скоростей истечения без применения гидравлического насоса высокого давления, необходимого в прототипе.

- Использование генераторов давления в каждом устройстве для разбрызгивания вместо одного общего для всей системы форсунок генератора давлении (гидравлического насоса) значительно повышает эффективность процесса в целом за счет возможности оптимизации процессов в отдельных форсунках.

- Процесс разделения соли и паровоздушных потоков в отличие от прототипа регулируется во времени и пространстве, что обеспечивает высокую эффективность разделения при значительном увеличении числа устройств для разбрызгивания и их плотной пространственной установки в испарительной камере.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов предложен способ опреснения соленой воды, отличающийся от сказанного выше тем, что вводится блок управления генерацией электрических импульсов, таким образом, чтобы импульсы поступали в разные форсунки в соответствии с заранее заданной программой, адаптивной к солености воды, к влажности и температуре воздуха в камере испарения. Независимые регулировки скорости и размера капель для достижения оптимального режима испарения и эффективности процесса. Тем самым достигается эффективность процесса при изменениях температуры или влажности воздуха, температуры и состава воды.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых:

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого устройства для разбрызгивания с импульсным генератором давления с электродами.

На фиг.2 и 3 показаны форсунки на основе импульсного генератора давления с пьезоэлектрическим и электродинамическим элементами соответственно.

На фиг.4 показана схема пакетного импульсного разбрызгивания.

На фиг.5 показана система для опреснения соленой воды с устройствами для пакетного импульсного разбрызгивания.

Предлагаемое устройство для разбрызгивания, как показано на фиг.1, содержит корпус 1 с рабочей камерой 2, соплом 3 и расположенную между ними кольцевую камеру 4. С кольцевой камерой 4 сообщаются резонаторы 5. Внутри рабочей камеры 2 установлен импульсный генератор давления, выполненный с электродами 6, с показанным на фиг.2 пьезоэлементом 7 или с показанным на фиг.3 электродинамическим элементом 8.

Устройство для разбрызгивания работает следующим образом.

От внешнего электрического импульсного генератора непосредственно в рабочую камеру 2 на предлагаемый импульсный генератор давления подают электрический импульс. В результате преобразования электрической энергии в механический импульс сжатия создается импульсное давление от 2 до 200...500 атм. и длительностью от 0.1 до 100 мкс. Высокое импульсное давление обеспечивает истечения воды через сопло 3 со скоростью от 100 до 300 м/с. Регулировка амплитуды и длительности электрических импульсов обеспечивает задание необходимых параметров разбрызгивания.

При этом в качестве импульсного генератора давления может быть применен генератор давления на основе электрогидравлического эффекта, как показано на фиг.1, пьезоэлектрический, как показано на фиг.2, или электродинамический, как показано на фиг.3, генераторы.

При течении воды во время действия импульса через акустическое сопло происходит взаимодействие водяной струи и звуковых колебаний, возбуждаемых в кольцевой камере 4 акустическими резонаторами 5. Вследствие этого взаимодействия струя после выхода из сопла 3 дробится на капли одинакового размера. Размер определяется параметрами акустических колебаний с диаметром капель от 10 до 150 мкм. Параметры акустических колебаний зависят от размеров кольцевой камеры 4 и резонаторов 5 и могут регулироваться за счет изменения их объема.

По окончанию импульсного воздействия разбрызгивание прекращается. Таким образом, капли, вылетевшие за время действия импульса, распространяются в виде отдельного облачка - пакета капель, как показано на фиг.4.

При этом происходит увеличение площади взаимодействия капель с источником энергии - внешним воздухом в сравнении с непрерывным или струйным потоком капель, используемым в прототипе, что приводит к вовлечению в процесс теплообмена значительно больших объемов внешнего воздуха за счет чего и достигается повышение эффективности испарения.

Раздельная регулировка амплитуды и длительности электрических импульсов и настройка акустических резонаторов дают возможность независимых изменений скорости и объема пакета, а также размеров капель в нем.

Система для опреснения соленой воды, как показано на фиг.5, содержит емкость с соленой водой 10, по меньшей мере одно устройство для разбрызгивания 11, внешний генератор электрических импульсов 12, блок управления 13, камеру испарения 14, камеру конденсации 15, емкость для пресной воды 16, контейнер для сбора соли 17.

Соленую воду подают из емкости 10 в систему для разбрызгивания 11, в которую электрические импульсы от внешнего генератора импульсов 12 подают по определенному алгоритму, задаваемому блоком управления 13. Из устройства для разбрызгивания 11 в камеру испарения 14 вылетают пакеты капель, которые взаимодействуют с внешним воздухом, поступающим в камеру испарения 14 через отверстия вокруг устройства для разбрызгивания 11. Капли в пакетах интенсивно испаряются, образуя частицы соли и водяной пар. Водяной пар поступает в камеру конденсации 15, сообщающуюся с камерой испарения 14, где пар конденсируется в пресную воду, которая собирается в емкость для пресной воды 16. Частицы соли под действием гравитации выпадают в контейнер для сбора соли 17.

Для повышения производительности системы для опреснения устанавливают необходимое количество устройств для разбрызгивания 11.

Алгоритм подачи импульсов на устройства для разбрызгивания 11 обеспечивает создание не пересекающихся паровоздушных потоков и частиц соли для эффективного отделения частиц соли от водяного пара.