Фотоэлектрическая электродиализная установка

Фотоэлектрическая электродиализная установка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к опреснительным установкам, использующим солнечную энергию. Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей . Фотоэлектрическая электродиализная установка содержит солнечную батарею к клеммам которой подключены электродиализатор и электронасос, соединенные тру бопроводом с резервуаром исходной воды накопительным баком опресненной воды и баком сбора рассола. Новым в установке является то, что она снабжена магнитоуправляемыми «онгактами. концентратором и терморегулируемым клапаном, параметры которого взаимосвязаны экспериментально определенным аналитическим соотношением с параметрами электродиализатора, причем солнечная батарея и участок напорно-всэсывающего трубопровода перед терморегулируемым клапаном размещены в фокусе концентратора 6 ил (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В (21) 4457430/26 (22) 17.06.88 (46) 07.06.91. Бюл. 5k 21 (75) Х.А.Арамедов, Б. Н,Атаева, А,А,Мурадов, А.P. Íñâðóçõàíîâ, А.Х.Хамадов и M.À.Xàíìàмедов (53) 66.052-12 (088.8) (56) Патент США N. 4539091, кл. В 01 О 43/02, 1985.

Опыт эксплуатации электродиализного опреснителя с электропитанием от солнечной фотоэлектрической станции. — Изв, АН . ТССР, Сер. физико-техн., химических и геологических наук; 1988, N 22, . с . . 6633, рис, 1. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗНАЯ УСТАНОВКА (57). Изобретение относится к опреснитель.ным установкам, использующим солнечную

Изобретение относится к методам и средствам деминерализации воды, более конкретно к электродиализаторам, а именно к фотоэлектричесКим электродиализным установкам.

Цель изобретения — повышение технико-экономических показателей, На фиг. 1 и 2 изображены функциональная и электрическая схема предлагаемой установки; на фиг. 3 — резервуар исходной воды, сечение; на фиг, 4 — 6 — терморегулируемый клапан, вид спереди и вид сверху, а также расположение терморегулируемого клапана в напорно-всасывающем трубопроводе.

Фотоэлектрическая электродиализная установка (фиг.1-3) — содержит солнечную батарею 1, к клеммам 2 и 3 которой посред ством шин 4 и 5 токоп ровода подключены

iis) ЫХ по 1 6538О3 g.".i 1 (з1)з В 01 О 61/00. g 06Ъ 27/00 энергию. Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей. Фотоэлектрическая электродиализная установка содержит солнечную батарею. к клеммам которой подключены электродиализатор и электронасос, соединенные трубопроводом с резервуаром исходной воды, накопительным баком опресненной воды и баком сбора рассола. Новым в установке является то, что она снабжена магнитоуправляемыми контактами, концентратором и терморегулируемым клапаном, параметры которого взаимосвязаны экспериментально определенным аналитическим соотношением с параметрами электродиализатора, причем солнечная батарея и участок напорно-всасывающего трубопровода перед терморегулируемым клапаном размещены в фокусе концентратора. 6 ил. электродиализатор 6 и электронасос 7. соединенные между собой напорно-всасывающим трубопроводом 8 через резервуар 9 О исходной воды и выходными трубопровода- (Я ми 10 и 11 электродиализатора 6 с накопи- () тельным баком опресненной воды 12 и Q© баком 13 сбора рассола. а также магнитоуп- ( равляемые контакты 14-17 и концентратор

18, в фокусе которого размещена солнечная батарея 1, установленная на напорном трубопроводе 8 перед терморегулируемым клапаном 19, который выполнен с термочувствительным и регулирующим элементами в виде пластины 20 на основе " термочувствительного сплава, например никель — титан, причем пластина 20 круглой формы и размещена своей лицевой и тыльной поверхностями 21 и 22 вдоль оси напорного трубопровода 8, а две диамет1653803

50 рально противоположные точки 24 и 25 окружности пластины 20 соединены со смежными точками внутренней поверхности трубопровода 8 посредством прямоугольных упоров 26 и 27, изготовленных на основе упомянутого термочувствительного сплава, фотоэлектрическая электродиализная установка. снабжена электромагнитом

28, а магнитоуправляемые контакты 14-17 состоят иэ трех переключающих 14.-16 и одного размыкающего 17 контактов, расположенных в герметичных корпусах .напротив поплавков 29-31 с постоянными магнитами 32-34 (фиг.2) вдоль внутренней направляющей 35 резервуара 9 следующим

1 образом: первый и второй переключающие контакты 14 и 15 — напротив поплавка 29, заключенного между двумя ограничителями

36 и 37 на середине направляющей 35, третий переключающий контакт 16, имеющий также электромагнитную связь с электромагнитом 28, — напротив поплавка 30, заключенного между двумя ограничителями

38 и 39 в верхней части направляющей 35, а размыкающий контакт 17 — между .двумя ограничителями 40 и 41 в нижней части направляющей 35. Кроме того, фотоэлектрическая злектродиализная установка на фиг.

1,2 снабжена двумя дополнительными замыкающими магнитоуправляемыми контактами 42 и 43, один из которых (контакт 42) установлен в напорном трубопроводе 8 непосредственно после терморегулируемого клапана 19, второй (контакт 43) — в выходном трубопроводе 10, соединяющем электродиализатор 6 с накопительным баком.12, а включены они между шинами 4 и 5 токопровода солнечной батареи 1, образованной первым переключающим контактом 14, электродами 44 электродиализатора 6 (фиг.3) и вторым переключающим 15 контактом, причч нормально замкнутый контакт перво о переключающего 14 подключен к нормально разомкрутому контакту второго переключающего 15 и наоборот. е

Для раскрытия технической сущности предлагаемого изобретения необходимо отметить следующее. Основными техникоэкономическими показателями, определяющими качество работы фотоэлектрической электродиализной установки являются надежность установки при заданной степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора, а также стоимость установки и ее эксплуатации.

Факторами, обуславливающими повышеwe стоимости установки и ее эксплуатации, являются мощность солнечной. батареи (чем больше значение мощности солнечной ба5

45 тареи, тем она дороже. следовательно и выше стоимость установки), частая смена мембран электродиализатора, из-за малого срока их службы определяемых явлениями осадкообразования и отравления мембран, последнее повышает стоимость электродиализатора, следовательно и всей установки.

Факторами, снижающими надежность установки, являются также осадкообраэования и отравление мембран электродиализатора, длительное токопрохождение через. обмотку электродвигателя насоса при заполнении большого объема резервуара исходной воды приводит к перегреву обмотки электродвигателя насоса,следовательнои к возрастанию вероятности теплового пробоя изоляции обмоток электродвигателя насоса. Влияние повышенной температуры .. на мембраны электродиализатора также обуславливает вероятности их преждевременного выхода из эксплуатации, следовательно и снижение надежности установки, Эксплуатация фотоэлектрических электродиализных установок происходит в жестких климатических условиях, например пустынях, а специфика эксплуатации аналогичных установок. заключается именно в том, что установки подвергаются воздействию повышенных температур летом до.>-70 С и выше резких перепадов температур (термоцикл день и ночь), все это в значительной мере влияет и йа другие агрегаты установки — резервуар исходной воды, несущая конструкция солнечной батареи. В этих агрегатах под воздействием температур возникают микротрещины, снижается механическая прочность и герметичность резервуара, причем чем больше их габариты, тем больше вероятность появления таких дефектов и отказов.

Наряду с этим необходимо отметить, что эксплуатация фотоэлектрической электродиализной установки в течение светового дня сопровождается неравномерным поступлением солнечного излучения и должна осуществляться при заданных параметрах установки, т.е. получение заданной степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора при изменениях производительности установки или получение заданной производительности установки при изменениях степени минерализации.

С учетом изложенного выше целесообразны оценка производительности элвктродиализатора. оценка степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиалиэатора, оценка. взаимосвязи этих параметров. Корректная оценка установления взаимосвязи параметров установки с

1653803

Оэду Чаду (5) EKJlP A T S r

At производительностью или степенью минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора базируется на энерге-. тическом балансе, учитывающем затраты энергии и мощности а предлагаемой .становке на обеспечение заданной степени минерализации опресняемой воды на выходе электродиализатора, на основании проведенных экспериментальных данных установлено: где Саад, — заданная степень минералиэации опресняемой воды на выходе электродиалиэатора, {кг экВ) м з;

Ока — расхо ц воды терморегулируемого клапана м ч

Оэду — производительность воды на выз. ходе электродиэлизатора м ч

F — постоянная Фарадея, Ка (кг ака1

p — плотность исходной воды, кг м

g — ускорение свободного падения, м. с2

hi — перепад высоты между нижними частями резервуара и злектродиализатора, м; д- выход по току, И наоборот, при заданной производительности воды на выходе злектродиалиэаторэ — Орду„д — имеем:

ОЭДУ,ад С Чэду F A

Где Оэду,ад заданная производительность з. -1. воды на выходе электродиализатора, м -ч

С вЂ” степень минерализации опресняемой воды на выходе электродиэлизатора, (кг кэкВ) м

Чзду, Ока, g р, g. h1.F,А — обозначения аналогичных параметров по (1) данного описания, Анализируя выражения (1) и (2) отметим, что в первом случае. (выражение 1) отмеча.ется режим установки с заданной степенью минерализации опресняемой воды — Снаад.. но производительность Озду в течение светового дня изменяется. Во втором случае (выражение 2) алгоритм функционирования предлагаемой установки позволяет достигнуть режим заданной производительности

Оэдуаад при изменении степени минерализации опресняемой воды в течение светового дня. Следует отметить и то, что в выражениях (1) и (2) значения величин сомножителей д, hi. р, g, F, А остаются йрактически неизменными в течение светового дня. Поэтому стабильность поддержания значений Саад. и Оздуаад в соответствующих режимах эксплуатации предлагаемой установки обесгечи: - ется эа счет того, что произведение вели "

О" (Оэду Ч .,;) -O,.. (Оз„у йзду 1сь) — const. (3) 10 где Язду — эле."дорическое сопротивление между электродами мембран электродиализатора при наличии в нем исходной воды;

Ic6 — электрический ток. генерируемый солнечной батареей, а первом режиме и произведение велич ч, Ока (C 0Эду) = Ока (С Йзду Ice) . — const . (4) во втором режиме должно также оставаться. постоянным. Для этого необходимо, чтобы значение О„и его изменение в течение светового дня было вэаимообразным значениям величин, заключенным в круглых скобках выражений (3) и (4). В свою очередь Ока терморегулируемого клапана можно описать следующим выражением;

ТКЛР (Тмакс Тмин ) . f

30 Xt где Ока — расход воды терморегулируемого

3 клапана, м (ч );

ТКЛР— температурный коэффициент линейного расширения материала терморегулируемога клапана, 1 .К

Тмин, Тмакс, Л Т вЂ” пределы и интервал рабочих температур терморегулируемога клапана, К;

So — площадь проходного сечения трубопровода, определяемая пластиной термо45 регулируемого клапана при температуре

Тмин. + Тмакс.

r- радиус трубопровода, внутри которого расположен терморегулируемый клапан;

AS — изменение площади проходного сечения трубопровода в месте расположения терморегулируемого клапана в интервале температур Тмин и Тмакс, ht — время работы клапана, с, Таким образом, изменение температуры исходной воды, поступающей из резервуара ,по трубопроводу через терморегулируемый клапан позволяет управлять расходом воды на входе электродиализатора и обеспечить тем самым выполнение соотношений выражений (1)-(5). Что же касается нагрева или подогрева исходной воды, поступающей на вход электродиалиэатора, необходимой для .нормального функционирования в установ: ленном интервале гемператур терморегули руемото клапана, исходную воду из резервуара пропускают через трубопровод, расположенный вдоль линейного фокуса солнечной .концентрирующей системы, .например лараболоцилиндрического. концен.— тратора., Установка работает следующим- образом ;

При отсутствии солнечного излучения

1 Ф-О.и температуре окружающей среды Т< .<Тср, в предлагаемой установке на выходе солнечной батареи, а именно клеммах 2 и 3 (фиг.1) отсутствуют электрическое напряжение (Ов @ - ф и выходная. электрическая мощность(Рg x. -О). Поэтому подключенные к шинам 4и 5токопровода(фиг.2) солнечной батареи 1: электродиализатор 6:и электро: насос 7 не работают. Следовательно, соле ная .вода йз.: водоисточника через . напорно- всасывающий . трубопровод 8 не поступает в резерщрр 9 исходной воды и, . электродиализатор 6, При этом у магнитоуправляемых контактов 14, 16. 15 и 17 поплавки 29-31 с закрепленными на них постояннйми магнитами 32-34. расположены вдоль внутренней направляющей 35 ре.. зервуара 9(фиг.З), причем поплавки 29-3i.с магнитами 32-34 находятся ближе к нижним ограничителям 37, 39 и 41 в середине, верхней и нижней частях направляющей . 35. Поэтому будут следующие состояния . магнитоуправляемых контактов l4-17: у переключающих 14 и 15 подключены общий и нормально-замкнутые. контакты, у переклю, чающего 16. подключены. общий и нормально-замкнуть контакты, а у замыкающего 17 .контакты разомкнуты, Также разомкнуты контакты магнитоувравляемых контактов

42 и 43 (прйчем в рабочем состоянии первый контакт 43 срабатывает от давления воды

- на входе электродиализатора 6, а второй

: контакт 42 срабатывает от уровня воды в . выходном трубопроводе (10). Что же касается положения пластины 20 терморегулируемого клапана.19 (фиг. 4-6), то она занимает

" положение. показанное пунктиром на фиг.

6, в.этом случае проходное сечение трубопровода 8 перекрыто в максимальной степени, так .как. для пластины 20 на основе .. термочувствительного сплава никель-титан (сплава йамяти формы) при температуре Гмщ, задана форма и ее размеры увеличе: ны, а в смежных точках внутренней поверхности трубопровода. 8 упоры 26 и 27 закреплены неподвижно, например неразьемным соединением в виде сварки, При включении оператором контакта

Вкл. (фиг.1) и наличии солнечного излучения

Ф О на электродах 2 и 3 солнечной батареи

1 появляются электрическое напряжение

Овых 0 и.электрическая мощность P 0

Поэтому. подключенный к шинам 4 и 5 токопровода солнечной батареи 1 электронасос

7 работает, Тогда соленая вода из водоисточника (фиг.1) по напорно-всасывающему трубопроводу 8 поступает в резервуар

9 исходной воды и по мере его заполнения водой начинают срабатывать магнитоуправ15 ляемые контакты, сначала. замыкающий контакт 17 при приближении поплавка 31 с магнитом 34 к ограничителе 40 в нижней части направляющей 35 (фиг.3) и тем самым образуется последовательная цепь — кон20. такт 17 и обмотка электромагнита 28 (фиг.2) Далее соленая вода из резервуара 9 по трубопроводу 8, размещенному в фокусе кон-. центратора 18, нагреваясь до температуры

Т > Tpp, через терморегулируемый клапан 19

25 поступает на вход электродиализатора 6. при этом. положение пластины 20 терморегулируемого клапана начинает изменяться до тех пор, пока расход клапана 19 Окл не обеспечит внутри трубопровода 8 перед терморегулируемым клапаном 1,9 температуру исходной соленой воды не.более 500С.

Затем эта вода под давлением не менее (G,3-3) 104 кг м на входе электродиалиэатора 6 (заданное давление на входе злектродиалиэатора 6 достигается эа счет выбора перепада высоты между нижними частями резервуара 9 и электродиализатора 6 с учетом гидравлических потерь в последнем) приводит к смещению упругого элемента (пластины) с магнитом (упругий элемент и

40 ресняемая вода по выходным трубопроводам 10 и 11 поступает. соответственно в накопительный бак 12 опресняемой воды и бак 13 сбора рассола.

Заполнение водой выходного трубопровода

10 злектродиализатора 6 приводит к срабатыванию магнитоуправляемого замыкающего контакта 43 (фиг. 1 и 2), принцип работц которого аналогичен работе «онтактов 14-16 (на фиг. 1 и 2 поплавок с магнитом контактов 43 и 42 не показаны). магнит на фиг.. 1-6 не показаны) так как вдоль дополнительного магнитоуправляемого контакта 42, следовательно, к его срабатыванию и замыканию его контакта 42

45 (фиг,1 и 2). Далее нагретая в фокусной зоне концентратора 18 вода с температурой не более 50 С поступает на вход мембранных камер электродиализатора-б, с выхода мем-. бранных камер злектродиализатора 6 on9

1653803

В этом случае электрическая цепь В-.Г (фиг.2) электродиализатора 6 полностью замкнута и происходит процесс элект Щиалиэа нагретой до 50 С опресняемой воды.

Направление полярности -ока от солнечной батареи 1 е цепи В-Г {фиг.2) зависи от состояний магнитоуправляемых переключаю- щих контактов 14 и 15, а именно:: до при уровне воды выше середины исходного резервуара. пот1лавок 29 с магнитом 32 приближаются к ограничителю 36. направляащей 35 и замыкают общий.и нормально разомкнутый контакты переключающих 15 контактов 14 и 15 (фиг.2), поэтому происходит периодическое заполнение и переливание воды из резервуара 9 по трубопроводу

8 в злектродиализатор 6 и далее осуществляет управление и реверсироаание полярности тока. в электродиализаторе 6;

Заполнение водой резервуара 9 приводит к тому, что срабатывает переключающий контакт 16, т.е. замыкаются общий и .нормально-разомкнутый контакты .под действием 25 поплавка 30 с магнитом 33. расположенные в верхней части направляющей 35. Отключается электронасос 7, одновременно с переключающим контактом 1.6 в цепи Д вЂ” Г (фиг.2) включена обмотка электромагнита 30

28, которая также связана с контактами 16

- общим и нормально-разомкнутым контактами — электромагнитной связью и удержиеает эти контакты 16 в замкнутом состоянии до тех пор, пока уровень воды в- 35 резервуаре 9 не станет ниже уровня ограничителя 40. Тогда поплавок 31 с магнитом

34 вернутся в исходное положение ближе к ограничителю 41, контакты 17 разомкнутся, цепь Д-Г(фиг.2), обесточится, поэтому алек- 40 тромагнитная связь с переключающим контактом 16 прекращается и контакты 16 также вернутся в исходное положение, включив злектронасос 7 для нового заполнения водой. резервуара 9- иэ водоисточни- 45 ка. Вышеописанное периодически повторяется е течение светового дня или до полного заполнения бака 12 опресненной воды или до преждевременного заключения

50 оператором контакта Вкл

Следует отметить и то,что в течение светового дня наблюдение эа Солнцем осуществляет система слежения концентратора

18 (не показана), а также То. что изменение температуры в фокусе концентратора 18 Тф: 55 и тока электродиализатора 6 носят одинаковый характер. В связи с вышеизложенным температура нагрева воды в трубопроводе

8 до заданного интервала достигается выбоpose размеров и типа концентратора, в середины заполнения водой исходного ре- зервуара 9 одно направление тока, второе - . 10 данном случае использован параболоцилиндрический кснцентратор 18. Стабилиза- . ция температуры воды, поступаюгцей в электродиализатор Р обеспечивается терморегулируемым к,; .;;ном 19, а именно, положением пласти-:., 20 в трубопроеое, если Тф возрастае-: а ход терморегулируемого клапана 19 твеличиааетая, скорость истечения воды и.::зезереуара 9 увеличивается так, что Ткд =.. О С, если Т уменьшается, расход терморегулируемого клапана уменьшается, скорость истечения воды из резервуара 9 также уменьшается, следовательно. время нагрева воды в фокусе концентратора 18 трубопровода 8 увеличивается, поэтому также Twit = 50 С, Для стабильной работы терморегулируемого клапана 19 в заданном интервале температур целесообразно задавать форму пластины 20 и упоров

26 и 27, на основе сплава памяти формы при

Т< Ти«, где Тичл — температура в фокусе концентратора 18 зимой, а также задавать вторую форму пластины 20 и упоров 26 и 27 при Т Т ., где Тмакс — температура в фокусе концентратора 18 летом. Следует отметить и.то, что благодаря расположению солнечной батареи 1 в фокусе концентратора 18 на трубопроводе 8 сокращается площадь, занимаемая фотопреобразоеателями, следовательно, намного уменьшается стоимость солнечной батареи 1, При этом сохраняется стабильность параметроа со»нечной батарей 1 за счет отвода тепла от фотопреобразователей водой, протекающей в трубопроводе 8, Реаерсирование тока злектродиализатора 6 (периодическая смена полярности на электродах.44 злектродиалйзатора 6) связанос одновременным переключением линий опреснения и концентрирования посредством гидрораспределителя (не показан), установленного на выходе электродиализатора 6 и соединенного с выходными трубопровода-. ми 10 и 11. Управление работой.гидрораспределителя обеспечивается за счет того, что . обмотка электромагнита гидрораспределителя подключена параллельно злектродиализа- . тору 6 непосредственно к электродам 44.

Поэтому а зависимости от направления тока через электродиализатор 6 изменяется и направление тока а обмотке электромагнита гидрораспределителя, золотник которого перекрывает своими задвижками (клапанами) закрыто-открыто соответственно линии опреснения и концентрирования мембранных камер злектродиалиэатора 6.

Формула изобретения

Фотоэлектрическая злектродиализная установка, содержащая солнечную бата11

12 рею, к выходам которой подключены электродиализатор и электронасос, соединенные между собой напорно-всасывающим . трубопроводом через резервуар исходной воды, и выходным трубопроводом электро- 5 диалиэатора с накопительным баком для опресненной воды и баком сбора рассола. о тл и ч а ю щ а я с я тем; что, с целью повышения технико-экономических показателей, она снабжена концентратором и термоуправляемым клапаном, установленным в напорно-всасывающем трубопроводе перед электродиализатором, при этом солнечная батарея и участок напорно-всасывающего трубопровода перед термоуправляемым клапаном размещены в фокусе концентратора.

1653803

19

Рб

Составитель АЯрусковцов

Техред М.Моргентал Корректор О.Кундрик

Редактор ЕЯапп

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 1910 Тираж 446 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5