Prototype this по-русски - выпуск 122. Изумрудная вода...
Вот стоило только опять вернуться к идее опреснения воды, как тут же и Интернет куда-то испортился (сейчас работает через жопу), и чайник у нас электрический...
В прошлой части мы говорили об осмотической системе, но она, конечно, у нас не очень получилось. Зато теперь, похоже, что-то наклевывается.
Помните, в фильме "Водный мир" у главного героя на яхте рос помидор?
А помните, как он его поливал? Правильно, дети. Герой писал в емкость, которая сообщалась с насосом, а с другого конца насоса выходила пресная вода... Покачал ручку - накачал стакан чистой воды.
Мы с вами будем говорить об Универсальном Модуле Опреснения. Практически таком же продвинутом, как у Костнера, а может, и круче...
Принципы.
1. Широкий диапазон условий эксплуатации. Грубо говоря, система должны работать на 1% мошности точно так же хорошо, как и на 100%.
2. Простота и надежность системы. Меньше гаек - меньше что могут открутить...
3. Прямое преобразование энергии. Никаких промежуточных преобразований энергии! Как у Костнера - покачал насосик - получи водичку.
4. Модульность. Черный ящик. Воткнул - выткнул.
Описание.
1. Диапазон. Мембраны обратного осмоса работают от давления, а не от расхода. Соответственно, они и на 1% возможной мощности будут работать, если будет обеспечиваться давление. Просто расход будет на 1% всего... Более того - это дизель не может работать при 1% мощности, у него на малых оборотах режим не очень устойчивый. А вот мембрана может, и легко. Соответственно, мы работаем над осмотисческим фильтром.
2. Будет ниже.
3. Никаких нагреваний, аэраций и прочей ерунды (хотя прокачивание воздуха через горячую и/или закипающую воду - очень любопытный у нас был принцип повышения пароотдачи). Энергия у нас используется только одного вида - механическая. Механическая энергия приводит всю систему, и все... Благодаря этому наш УМО можно задействовать от электромотора с редуктором, дизеля, а также от ветряка или волнового понтона. Он будет действовать одинаково хорошо.
4. Модульная конструкция полностью изолирует тракт высокого давления от магистралей. Таким образом, мы сможем интегрировать УМО в обычные водопроводные сети, либо собирать сети на основе УМО из обычной водопроводной арматуры.
Теперь прелести.
Безотказная работа опреснителя связана с необходимостью фильтрации входящей воды (это мы тут не рассматриваем - это давно уже исследованная и наработанная область), и с необходимостью преодоления засаливания выводящих рапу (рассол) трубопроводов. Поскольку при отборе пресной воды из соленой соленость полученного раствора повышается, то возникает опасность выпадения соли в осадок и закупорки труб. Существует единственный системный подход - контроль за соленостью выходящей рапы. Если соленость слишком велика, рапа должна быть разбавлена входящей соленой водой до приемлемого уровня.
На этом месте американский инженер вспоминает об Ардуино, а мы вспоминаем о том, что сапог в бою надежней.
Поддержание давления и расходов на мембране осуществляется цельной насосной группой, состоящей из поршня подачи воды и поршня отбора рапы, сидящих на одном штоке. Поскольку они сидят на одном штоке, проходящие через них объемы пропорциональны, в силу несжимаемости воды как среды. А это значит, что, исходя из показателей солености и температуры входящей воды, сообщив поршням разные диаметры, мы получаем фиксированную - причем очень жестко фиксированную - пропорцию прихода и расхода, обеспечивая гарантированную безотказность по соли.
Легко видеть, что в такой системе при начале движения поршней на мембрану подается больше воды, чем с нее снимается рапы. Вот эта разница и должна просочиться через мембрану в виде пресной воды. При этом, если создаваемое приходным поршнем давление достаточно для начала осмоса - процесс идет, а если недостаточно - вся система стоит колом. Для предотвращения самопроизвольного под давлением вытока воды через расходный клапан выходного дозирующего поршня нам потребуется золотниковая система. Ну и само собой - предохранительный клапан для предотвращения разрыва мембраны на высоких мощностях работы.
При соотношении площадей поршней один к полутора мы получим гарантированный 30% выход пресной воды из системы.
Данная поршневая группа будет работать на картридж осмотической мембраны. Поскольку система компактна и не содержит сложных элементов, она выполняется модульно, как единый блок, подключаемый к обычным трубопроводам, каковых ровно три. Труба подачи соленой воды, труба расхода рапы и труба выхода пресной воды. Данный моноблок может быть изготовлен на любом машиностроительном предприятии, и снабжаться осмотическими картриджами промышленного производства.
Единственным видом энергии, который подается в систему, является механическая. Привод может быть осуществлен от электромоторов, дизелей, но самое главное - он может быть осуществлен от ветряков либо волновых понтонов. В данном случае (использование ВИЭ) мы получаем пусть нестабильный по выходу, но совершенно "даровой" источник пресной воды. Поскольку такой источник полностью, за исключением мембраны, каковые мембраны, впрочем, серийно выпускаются промышленностью, реализуем не самыми продвинутыми машиностроительными мощностями, ничем, по сути, не отличаясь от водяных насосов высокого давления - он дешев в серином производстве, и может выпускаться самими крымчанами на своих предприятиях. Что кстати, превращает Крым из курортного полуострова в центр опреснительных технологий на всей территории, куда только дотянется реализация продукции.
Серийное производство в объемах стандартных модулей УМО позволит решить вопрос с ремонтопригодностью для конечного пользователя.
Малые установки УМО могут применяться в различных экспедиционных приложениях, а также для индивидуального пользования. Установки средней мощности - для сельского хозяйства.
Поскольку выходящая пресная вода деминерализована, она не подходит для питья, так как требует минерализации. Однако в сельском хозяйстве она идеально подходит для полива, поскольку дождевая вода также деминерализована, и это наиболее естественно для сельхозкультур. В больших объемах производства деминерализованной воды она может по трубам подаваться в верховья водосборов, где, проходя через почву подобно нормальной дождевой воде, приобретет необходимый минеральный состав и стечет в водохранилища уже в пригодном для питья формате. Ну или - нужно будет использовать солевые таблетки (в случае индивидуальной эксплуатации такой установки).
Особо малые установки УМО действительно могут иметь такой вид, как в фильме "Водный мир". Необходимое усилие для движения поршня и создания давления будет обеспечиваться плечом рычага и малой площадью поршней. Такие "насосики" можно будет устанавливать, к примеру, на спасательных шлюпках, яхтах и так далее. Не факт, что в них можно будет писать - но вот морскую воду они должны хорошо обрбатывать...
Унификация, серийность, простота и технологичность позволят использовать такие установки в волновых боновых заграждениях. Вместо волновой электростанции у нас получится, таким образом, морской волновой родник пресной воды для берега. Если часть бон будет опреснять воду, а часть - качать ее (то есть работать чисто насосом) - у нас получается система автономного водоснабжения для берега. Это интересно не только для Крыма. Например, это любопытный вариант для пустыни Атакама. Также это может быть интересно для западного Кару.
Возможна работа УМО от ветряков, причем стандартные быстроходные пропеллерные ветряки даже хуже подходят, чем например, ротор Савониуса. Ротор Савониуса, который с одной стороны, развивает значительное тяговое усилие, а с другой, медленноходный, может приводить УМО без редуктора, что упрощает систему и делает ее надежней и эффективней. А так как в роторе Савониуса при превышении скорости ветра возможна регулировка мощности турбины поворотом лопастей, это делает его идеальным вариантом для построения опреснительных станций в сложных регионах.
Плавучая реализация опреснителей, где вся система находится в море, а на берег идет лишь трубопровод, весьма проста, поскольку не требуется трубопровод для отвода рапы (она сбрасывается прямо в море) и нет опасности засаливания. Кроме того, требуется вместо трех трубопроводов всего один. Однако наземная реализация, если она не отстоит слишком далеко от берега, надежнее и проще в обслуживании.
В комбинации с водонапорными башнями либо водоемами (поскольку приток пресной воды зависит от окружающих условий) такая система может быть интегрирована в сети водоснабжения сельхозугодий, а при использовании специализированных систем (модулей) минерализации воды, или при подаче в верховья водосборов - и для водоснабжения населенных пунктов.
Возможность привода УМО как от ВИЭ, так и от электромоторов/дизелей позволяет на основе одной серии блоков реализовывать также резервное водоснабжение (на случай если ветер закончился и долгое время его нет), однако самый лучший способ, конечно - работа УМО на водосборы естественных резервуаров (водохранилищ) либо напрямую на сельскохозяйственные площади.
Осталось спроектировать и построить...
.