Способ ускорения испарения воды и устройство для его реализации

Группа изобретений относится к способу и устройству ускорения испарения жидкостей, в частности, воды, с использованием солнечной энергии.

Из уровня техники известно устройство (пруд-испаритель) для испарения сточных вод различного генезиса. Пруд-испаритель сопряжен посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом и снабжен плавающими испаряющими элементами из гидрофильного капиллярно-пористого материала. Плавающие испаряющие элементы выполнены в виде покрытых гидрофильным капиллярно-пористым материалом полых перфорированных барабанов, закрепленных между двумя опорными поплавками с возможностью вращения вокруг своей горизонтальной оси с помощью торцевых полуосей, вставленных в размещенные по длине поплавков втулки. Барабаны снабжены механизмом их синхронного поворота на 180° и обратно (патент РФ №2527041, 27.08.2014).

Недостатком данного устройства является необходимость очистки испаряющих элементов от солевых отложений, что приводит к повышению трудоемкости способа испарения с использованием данного устройства. При этом, некачественная очистка испаряющих элементов приводит к снижению эффективности испарения жидкости за счет сокращения площади испаряющей поверхности.

Другими недостатками устройства являются сложность его конструкции и громоздкость устройства.

Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений заключается в разработке простого устройства и способа для эффективного и быстрого испарения воды.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой группы изобретений, заключается в снижении трудоемкости при эксплуатации устройства и способа испарения воды за счет отсутствия необходимости в удалении солевых отложений с поверхности устройства для испарения, исключения трудозатрат на установку устройства в рабочее положение, погружение и балансировку устройства под поверхностным слоем воды в процессе эксплуатации устройства, а также упрощения конструкции устройства для испарения воды, повышении эксплуатационных характеристик устройства, что обеспечивается повышением надежности работы устройства, а также эффективности испарения воды благодаря ускорению испарения за счет сосредоточении теплового воздействия солнечной энергии в поверхностном слое воды обусловленного изолированием тонкого поверхностного слоя воды, исключения образования на поверхности устройства солевых отложений.

Указанный технический результат достигается за счет использования устройства для ускорения испарения воды, выполненного из полимерного материала с плотностью 0,8-0,95 г/см³, и содержащего плоское основание, на верхней и нижней поверхности которого размещены ребра для обеспечения погружения поверхности основания устройства под поверхностный слой воды, при этом, соотношение массы верхних, нижних ребер и основания составляет 1:1:1.

Технический результат также достигается за счет осуществления способа ускорения испарения воды, заключающегося в том, что изолируют поверхностный слой воды толщиной 1-10 мм путем размещения раскрытого выше устройства для ускорения испарения воды на поверхности воды с возможностью погружения поверхности основания устройства под поверхностный слой воды, поглощенное под воздействием солнечных лучей основанием устройства тепло отдают поверхностному слою воды для стимулирования испарения, по мере испарения поверхностного слоя воды устройство стабильно расположено на заданном уровне под поверхностью воды.

Группа изобретений может использоваться для испарения воды с поверхности водоемов под действием солнечных лучей.

Основание устройства может быть выполнено в виде плитки шестигранной формы, что способствует компактной самоорганизации группы плиток для увеличения площади испарения. Устройство полностью симметрично и не требует ориентирования при выкладывании на воду.

Устройство может быть выполнено из полимерных материалов, устойчивых к тепловому и ультрафиолетовому излучению, например, полиэтилена.

Устройство может быть выполнено из полимерных материалов, неустойчивых к тепловому и ультрафиолетовому излучению и воде (разлагаемых).

Выполнение устройства из разлагаемых материалов обеспечивает управление сроком эксплуатации устройств и отсутствием необходимости их утилизации по истечении срока использования. Устройства, могут быть выполнены из материалов, подвергающихся разложению через 1-3 года.

Ребра на верхней и нижней стороне основания могут быть выполнены треугольной формы.

Устройство размещают на поверхности воды с возможностью погружения поверхности основания устройства под поверхностный слой воды толщиной в 1-10 мм. Максимальная эффективность устройства достигается при наименьшей глубине погружения основания под поверхностный слой воды, например, 1-5 мм.

Выполнение устройства из полимерного материала с плотностью 0,8-0,95 г/см³ в виде плоского основания, на верхней и нижней поверхности которого размещены ребра с соотношением массы верхних, нижних ребер и основания 1:1:1 обеспечивает достижение гидростатического равновесия при погружении поверхности основания устройства под поверхностный слой воды толщиной 1-10 мм. То есть, сила тяжести, действующая на устройство уравновешивается выталкивающей силой при полном погружении основания под воду на 1-10 мм.

При этом, конструкция устройства (в том числе массовое соотношение элементов конструкции и выбор плотности материала устройства) обеспечивает достижение гидростатического равновесия, когда над поверхностью воды остается до 5% массы устройства (до 15% объема верхних ребер), то есть, при погружении устройства на 95% под воду.

Таким образом, при использовании разработанного устройства достигается погружение поверхности основания устройства под поверхностный слой воды в 1-10 мм.

Таким образом, при размещении устройства на поверхности воды и погружении его основания под поверхностный слой воды достигается изоляция тонкого поверхностного слоя (1-10 мм или 1-5 мм) жидкости от толщи и стабильное сохранение толщины изолированного слоя в процессе работы устройства, таким образом, в процессе нагрева солнечными лучами поверхности основания устройства и передачи полученного тепла поверхностному слою не происходит периодического изменения толщины изолированного слоя, толщина слоя сохраняется на протяжении всего процесса, в результате чего происходит ускорение нагрева поверхностного слоя воды, переданное основанием устройства. В результате, достигается повышение эффективности испарения воды устройством.

Возможность изоляции тонкого слоя воды и поддержания его на одном уровне обеспечивает стабильную скорость нагрева и, соответственно, стабильную скорость испарения, что позволяет достичь повышения надежности работы устройства и повышение эксплуатационных характеристик устройства в целом.

Кроме того, расположение и удерживание основания устройства под слоем воды 1-10 мм позволяет добиться эффективного испарения с нагревом воды, не превышающем температуру выпадения и отложения на плитке солей жесткости (например, 55ºС для карбоната кальция). Таким образом, ввиду исключения образования отложений солей жесткости на поверхности устройства отсутствует необходимость в чистке устройства, что снижает трудоемкость при эксплуатации устройства. Кроме того, ввиду отсутствия отложений на изолирующей поверхности основания обеспечивается ее максимальный прогрев под действием солнечных лучей, что также способствует быстрому нагреву жидкости, эффективному испарению и надежной стабильной работе устройства.

По мере испарения жидкости с изолированного поверхностного слоя, происходит автоматическое надежное удерживание поверхности основания устройства под поверхностью жидкости на заданном изначально уровне. Это обусловлено тем, что в процессе испарения жидкости происходит ее восполнение с периферии устройства. Возможность автоматического удерживания поверхности основания устройства под тонким слоем жидкости обусловлена тем, что устройство выполнено из материала, характеризующегося плотностью 0,8-0,95 г/см³, а ребра (балансировочные ребра) на верхней и нижней поверхностях основания устройства смещают гидростатическое равновесие устройства за счет своей массы таким образом, что поверхность основания всегда находится под поверхностным слоем жидкости 1-10 мм или 1-5 мм. Таким образом, ребра оказывают противодействие выталкивающей силе для балансировки, стабилизации и удержания поверхности устройства на заданной глубине. В результате достигается снижение трудоемкости при эксплуатации устройства и самого способа ввиду отсутствия необходимости осуществления погружения и удержания поверхности устройства на одном уровне под заданным слоем воды пользователем.

Ребра располагают на верхней и нижней поверхностях основания в направлении из вершины каждого угла устройства к его центру. Выполнение ребер одновременно на верхней и нижней поверхностях основания принципиально, поскольку такое расположение ребер способствует стабилизации и балансировке устройства под водой, что позволяет изолировать слой воды определенной толщины и обеспечивает стабильное сохранение толщины изолированного слоя в процессе эксплуатации устройства. Толщина слоя сохраняется на протяжении всего процесса работы устройства, в результате чего происходит ускорение нагрева поверхностного слоя воды, переданное основанием устройства. В результате, достигается повышение эффективности испарения воды устройством.

Таким образом, на поверхности устройства достигается симметричное расположение ребер и, соответственно, равномерное распределение нагрузки, что обеспечивает равномерное погружение поверхности устройства под поверхностный слой воды с сохранением толщины изолированного слоя и ее балансировку. Это также обеспечивает стабильную скорость нагрева и, соответственно, стабильную скорость испарения воды.

Устройство может быть выполнено черного цвета для лучшего поглощения солнечного света. Кроме того, поверхность устройства может иметь развитую текстуру (например, шершавую) для увеличения поглощающей способности. Выполнение устройства черного цвета с развитой текстурой поверхности обеспечивает ускорение нагрева жидкости и, таким образом, дополнительное повышение эффективности испарения.

Основание устройства может иметь внутреннюю полость высотой 3-5 мм, заполненное водой, выполняющей функцию изолирующего слоя, который снижает диффузию тепла в массу воды под устройством. Таким образом удается обеспечить передачу большей части полученного плиткой тепла в изолированный поверхностный слой воды и исключить потери тепла в толщу воды. Выполнение устройства с внутренней полостью дополнительно позволяет обеспечить эффективность испарения жидкости за счет бо´льшего увеличения температуры поверхностного слоя жидкости ускоряющего ее испарение.

Устройства имеют простую конструкцию, что позволяет без подготовительных операций разместить (высыпать) одну или несколько плиток на поверхности водоема и существенно снижает трудоемкость при эксплуатации. Для полного покрытия в водоем погружают соответствующее по площади количество плиток. Имея шестиугольную форму плитки распределяются по поверхности воды без промежутков между ними и образуют сплошной изолирующий слой (плитки не являются испаряющей поверхностью, поэтому на них нет отложений) для выделения тонкого поверхностного (изолированного) слоя жидкости. Ребра препятствуют взаимному наложению устройств (плиток) и способствуют их правильной организации. В результате, жидкость испаряется с поверхности тонкого изолированного слоя. Кроме того, выполнение устройства с ребрами, расположенными одновременно на верхней и нижней поверхности основания также позволяет снизить трудозатраты на установку плитки в рабочее положение, как это бы потребовалось при выполнении ребер только на одной поверхности основания и необходимости установки устройства ребрами вниз для достижения погружения основания под поверхностный слой воды на заданный уровень.

По мере испарения жидкости с изолированного поверхностного слоя, происходит автоматическое удержание основания устройства под поверхностью жидкости на заданном уровне. Таким образом, происходит восполнение жидкости с периферии устройства, обусловленное разностью в плотностях жидкости и устройства. Возможность автоматического удержания поверхности устройства на заданном уровне обусловлена достижением гидростатического равновесия при погружении устройства в воду на 95%, что обеспечивается конструкцией устройства, в частности, плотностью устройства, а также наличием на верхней и нижней поверхностях ребер (балансировочных ребер) с соотношением масс ребер к массе основания 1:1:1. В результате достигается снижение трудоемкости при эксплуатации устройства и самого способа ввиду отсутствия необходимости осуществления погружения устройства пользователем.

Сущность изобретений поясняется фигурами 1-4.

На фигуре 1 изображено устройство (вид сверху).

На фигуре 2 изображено устройство, основание которого погружено под поверхностный слой воды (вид сбоку).

На фигуре 3 изображено устройство, основание которого имеет внутреннюю полость, заполненную водой, погруженное под поверхностный слой воды (вид сбоку).

На фигуре 4 изображена группа устройств, распределенных по поверхности водоема.

На фигурах позициями 1-5 обозначены:

1 – основание устройства,

2 – внутренняя полость,

3 – ребра,

4 – поверхность воды,

5 – изолированный слой воды.

Устройство, выполняют в виде шестиугольного основания 1 черного цвета из полиэтилена низкого давления плотностью 0,95 г/см³ и массой 30 гр. с внутренней полостью 2, заполненной водой и расположенными на верхней и нижней поверхности основания ребрами треугольной формы 3. Высота ребер на поверхности основания составляет 10 мм при общей высоте устройства 21 мм, а суммарная масса ребер (верхних и нижних) составляет 20 гр.

Устройство размещают на поверхности воды 4. При этом, поверхность основания устройства погружается под поверхность воды на глубину 1-10 мм, за счет заданной положительной плавучести устройства, обеспечиваемой массой устройства и его конструкцией, в том числе, расположением ребер относительно основания. Положительная плавучесть устройства частично компенсируется массой ребер, находящихся выше уровня воды таким образом, что основание устройства всегда находится под слоем воды заданной толщины, тем самым изолируя поверхностный слой воды. Солнечные лучи проникают под изолированный слой воды 5 и под их воздействием основание устройства нагревается. Внутренняя полость основания препятствует диффузии тепла в толщу воды. Большая часть полученного устройством тепла передается поверхностному слою воды, способствуя повышению его температуры, увеличению давления насыщенных паров на поверхности жидкости, таким образом, приводя к испарению жидкости с поверхности изолированного слоя. По мере испарения воды из поверхностного слоя, происходит ее восполнение с периферии устройства, обусловленное разностью в плотностях воды и устройства (заданной плавучестью устройства). Приведённый пример является частным случаем и не исчерпывает всех возможных реализаций группы изобретений.