Спосіб опріснення солоної води

Реферат: UA 103905 U UA 103905 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до хімічної, харчової, будівельної, сільськогосподарської та іншої промисловості, зокрема до способів опріснення засоленої і морської води. На сьогоднішній день біля 2,5 млрд. людей на Землі відчувають недостачу прісної води. За прогнозами експертів до 2025 року цей показник збільшиться до 4,5 млрд. Проблема отримання придатної для пиття прісної води стає глобальною. Наприклад, ряд районів нашої країни має великі запаси підземних вод із загальною мінералізацією від 1 до 35 г/л, що не використовується для потреб водопостачання за високого вмісту розчинених у воді солей. Ці води можуть стати джерелами водопостачання лише за умови їх подальшого опріснення. Дефіцит прісної води гостро відчувається на території понад 40 країн, розташованих у посушливих областях земної кулі, що становить близько 60 % всієї поверхні суші. Світове 9 3 споживання води на початку XXI століття досягло 120-150×10 м /рік. Зростаючий світовий дефіцит прісної води може бути компенсовано опрісненням солоних (солевміст більше 10 г/л) і солонуватих (2-10 г/л) океанічних, морських і підземних вод, запаси яких складають 98 % всієї води на земній кулі. Прісна вода є цінною складовою частиною морської води. Брак прісної води все більше відчувається в індустріально розвинених країнах, таких як США і Японія, де потреба в прісній воді для побутових потреб, сільського господарства і промисловості перевищує наявні запаси. У таких країнах як Ізраїль або Кувейт, де рівень опадів дуже низький, запаси прісної води не відповідають потребам у ній, що зростають у зв'язку з модернізацією господарства та приростом населення. Надалі людство опиниться перед необхідністю розглядати океани як альтернативне джерело води [1]. В умовах гострого дефіциту прісної води особливої актуальності набувають ефективні способи опріснення солоної води. До відомих способів опріснення води відносять: дистиляцію, іонний обмін, електродіаліз, виморожування, геліоопріснення, прямий і зворотний осмос, хімічне осадження та їх комбінації [2]. Для більшості із них характерною є висока питома вартість, складність апаратурного оформлення, великі затрати енергоресурсів і ін. Відомий спосіб опріснення морської води, описаний в [3]. Суть цього цікавого методу, запропонованого інженерами Університету Аолто у м. Еспо з Фінляндії, полягає в тому, що для опріснення води використовують відновлювальну енергію. Ідея полягає в наступному. Виготовлену спеціальної форми платформу встановлюють таким чином, що може рухатися в такт набігаючим хвилям. Хвиля, що потрапила під платформу, зазнає сильного тиску, внаслідок чого вона проходить через фільтри, розташовані на суші. За своєю суттю це є система зворотного осмосу. Вода продавлюється через напівпроникні мембрани, солі відокремлюються назад у водойму, а вода, що проникла через мембрану, стає таким чином опрісненою. Відмінність цієї системи від аналогічних полягає в тому, що на створення тиску не витрачаються енергетичні ресурси. Однак, такий спосіб вимагає великих затрат на виготовлення спеціальних платформ і фільтрів. До недоліків способу слід віднести і те, що спосіб передбачає прив'язку до конкретного місця берегової лінії, де можна використати енергію набігаючої хвилі. Крім того мембрана може розриватися від високого тиску, забиватися солями або пропускати через себе їх надмірну кількість. Одним із найдоступніших і простих способів опріснення води є дистиляція. Вона заснована на розходженні між соленою водою і парою, що з неї утворюється. У процесі дистиляції більш летючі компоненти води випаровуються швидше і після конденсації перетворюються в дистильовану воду. Висококиплячий залишок із основним вмістом солей і різних домішок виводиться із системи опріснення. Здійснення будь-якого варіанту процесу дистиляції пов'язане із великими витратами теплової енергії, що складають біля 40 % від вартості отриманої опрісненої води. Тому для методу дистиляції актуальним є зменшення енергозатрат. Один із варіантів економного способу опріснення з використанням сонячної енергії, який вибрано як найближчий аналог, наведено в [4]. Суть способу полягає у тому, що ємність із солоною водою перекривають пласкою огорожею з покриттям, що поглинає сонячне випромінювання, під яким міститься конденсатозбірник у вигляді труби, що проходить через зону конденсації водяної пари. Недоліком такого способу опріснення є великі теплові втрати з пласкою поверхні в навколишній простір, некерованість процесу конденсації водяної пари, неможливість функціонування при відсутності сонячного освітлення достатньої інтенсивності і ін. Задачею запропонованої корисної моделі є розробка вдосконаленого, енергоощадного і більш ефективного способу опріснення соленої води з використанням теплової енергії відновлювальних джерел енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі опріснення солоної води, що включає прокачування, нагрівання і випаровування та конденсацію водяної пари, видалення солі, згідно 1 UA 103905 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 з корисною моделлю, прокачування води здійснюють циркуляційним насосом по системі трубопроводів, розташованих у придонній частині "сонячного ставка", як за рахунок використання електроенергії від традиційних джерел живлення, так і за рахунок теплової енергії "сонячного ставка"; конденсацію водяної пари проводять в термоелектричному конденсаторі, причому електричне живлення циркуляційного насоса і модулів Пельтьє в конденсаторі забезпечується у тому числі і термоелектричними генераторами, що функціонують з використанням теплової енергії "сонячного ставка", а тепло, що проходить через термоелектричний генератор використовують для додаткового нагрівання води. Крім того, частину солі, виділеної в процесі опріснення води використовують для підтримання заданого градієнту солоності "сонячного ставка". Промислове використання запропонованого способу не вимагає застосування спеціальних технологій та матеріалів. Його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного комплексу, будівельної, харчової, сільськогосподарської та іншої промисловості. Практична реалізація запропонованого способу опріснення води. "Сонячний ставок" являє собою неглибоку (~2-3 м) водойму, у якій існує природний або штучно створений градієнт солоності. За рахунок цього вода в його придонній зоні нагрівається сонячною радіацією до 100 °C. Випаровування солоної води в трубах, розташованих у природній зоні "сонячного ставка", почнеться з випаровування в першу чергу летких фракцій води, які у вигляді водяної пари перейдуть в термоелектричний конденсатор, де після охолодження перетворяться в дистильовану воду. Воду з великим вмістом солі відводять назовні. Частина солі, виділена в процесі опріснення води, при потребі, може використовуватись для підтримання градієнту солоності "сонячного ставка" або для інших потреб. Подальше зменшення енерговитрат досягається тим, що електричне живлення циркуляційного насоса і модулів Пельтьє в конденсаторі додатково забезпечує система автономних відновлювальних джерел живлення - термоелектричних генераторів, які функціонують за рахунок теплової енергії того ж "сонячного ставка". Причому тепло від холодних спаїв термогенераторів і гарячих спаїв модулів Пельтьє відводиться у "сонячний ставок" для додаткового нагрівання води в ньому. Підтвердженням промислової придатності запропонованої корисної моделі є нижченаведена оцінка. У роботі [5] наведена інформація про реалізацію низки проектів з використанням "сонячних ставків" для отримання електроенергії різними способами. За даними [5] питома потужність паротурбінних установок, що використовують теплову енергію "сонячного ставка", складає біля 2 20 Вт/м поверхні водойми. Коефіцієнт корисної дії (ККД) паротурбінних установок, що використовують низькопотенційну теплову енергію, є найнижчим із відомих технологій генерування електроенергії непрямим способом. Він складає біля 7 %. Водночас, для температурного режиму "сонячного ставка" ККД термоелектричного генератора буде близьким до 1-1,5 %. Тому термоелектричним способом перетворення теплової енергії "сонячного ставка" 2 можна отримувати біля 2,5-2,8 Вт/м . Відповідно із сонячного ставка розміром 20×20 (м) можна отримати 1-1,1 кВт електроенергії. Циркуляційний насос для подачі холодної води в зону охолодження гарячих спаїв термобатарей в конденсаторі споживає не більше за 0,1-0,15 кВт. Вода, нагріта теплом, що пройшло через термобатарею, самостійно, без затрат електроенергії буде надходити в зону "сонячного ставка" з прісною водою. Солона вода у випаровувач може також надходити самопливом, без затрат електроенергії. Отже, для живлення системи конденсації водяної пари можна використати біля 1 кВт електроенергії. Для конденсації водяної пари її достатньо охолодити на декілька градусів. Розрахунки показують, що при її охолодженні на 50 С при затраті 1 кВт електроенергії можна отримати 3 кВт холодопродуктивності, що дозволяє отримати ~4,8л/год. конденсованої води, тобто біля 115 л/добу. Подальшого збільшення продуктивності опріснення солоної води запропонованим способом можна досягти як за рахунок підвищення енергоефективності "сонячного ставка", так і за рахунок додаткового використання енергоресурсів традиційних джерел живлення. Таким чином запропонований спосіб опріснення води дозволяє створити автономну систему, яка споживає лише відновлювальну теплову енергію сонячного випромінювання. Корисна модель є простою і доступною, адже може бути реалізована навіть на плавзасобі в морі. Джерела інформації: 1. http://kolonka-astra.ru/ogljadi/statty/1414-ustanovki-oprisnennja-morskoi-vodi-chast-1.html. 2. Слесаренко В.Η. Сучасні методи опріснення морських і солених вод. - М., 1973. 2 UA 103905 U 5 3. http://oasiswater.com.ua/uk/content/103-novig-sposib-oprisnennja-vodi. 4. АС СРСР № 1483199 А1. Сонячний опріснювач. Карнаухов Н.С., подано 10.07.87, опубл. 30.05.89 р., бюл. № 20. 5. Лобунець Ю.М. Сонячний ставок з термоелектричним перетворювачем енергії / Лобунець Ю.М. // Термоелектрика. - 2013. - № 2. - С. 91-94. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб опріснення солоної води, що включає прокачування солоної води через систему трубопроводів, нагрівання води для її випаровування, конденсацію водяної пари для отримання прісної води, видалення солі, який відрізняється тим, що нагрівання і випаровування води, яку прокачують циркуляційним насосом по системі трубопроводів, розташованих у придонній частині "сонячного ставка", або яка надходить в них самопливом, здійснюють як за рахунок використання електроенергії від традиційних джерел живлення, так і за рахунок теплової енергії "сонячного ставка", конденсацію водяної пари проводять в термоелектричному конденсаторі, причому електричне живлення циркуляційного насоса і модулів Пельтьє в конденсаторі забезпечується у тому числі і термоелектричними генераторами, що функціонують з використанням теплової енергії "сонячного ставка", а тепло, що проходить через термоелектричний генератор використовують для додаткового нагрівання води. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що частину солі, виділену в процесі опріснення, використовують для підтримання заданого градієнту солоності "сонячного ставка". Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3