Уровень техники и тенденции развития технических решений для интенсификации испарения с водной поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Испарение, как физический процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, нашло самое широкое распространение в природе и при осуществлении различных технологических процессов в технике: концентрировании и очистке веществ, сушке материалов, разделении жидких смесей, кондиционировании воздуха, пароэнергетике и т. д.

В условиях аридного орошаемого земледелия естественное испарение дренажных вод с орошаемых земель является достаточно традиционным в мировой практике способом их утилизации. Как правило, накопители-испарители используют для аккумуляции и испарения дренажных вод с минерализацией более 10 г/л. Необходимость интенсификации испарения минерализованных дренажных вод обусловлена:

- потребностью уменьшить объем минерализованного дренажного стока, для которого отсутствуют потенциальные потребители;

- целесообразностью снижения стоимости сооружения и загрязнения окружающей среды, которые пропорциональны площади накопителя;

- известным фактом существенного снижения интенсивности испарения воды при повышении ее минерализации;

- возможностью создания технических решений по извлечению солей из рассолов на основе процессов интенсифицированного испарения.

Для разработки новых технических решений накопителей-испарителей необходимо располагать результатами патентных исследований для оценки существующего уровня техники и определения основных направлений развития способов интенсификации испарения с водной поверхности и устройств для нее.

Методологической базой для выполнения патентных исследований послужили основные положения ГОСТ Р 15.011-96 и методических рекомендаций.

Под существующим уровнем техники понимаются все запатентованные изобретения и полезные модели, поданные заявки на изобретения и полезные модели с более ранней датой приоритета, а также другие источники информации, с которыми любое лицо может ознакомиться само либо о содержании которых ему может быть сообщено законным путем [1].

В ходе проведения поиска эксперт определяет уровень техники путем идентификации всех документов, которые являются релевантными при определении новизны, изобретательского уровня, достаточности подкрепления и промышленной применимости изобретения, описанного в заявке [2].

Для определения существующего уровня техники по направлению «Испарение воды преимущественно из открытых водоемов» был выполнен патентный поиск с использованием баз данных Роспатента (http: www.fi-ps.ru/russite/dbs/dbs.htm), Европейской патентной организации (http:www.ep.espacenet.com) и Ведомства по патентам и товарным знакам США (http: www.uspto.gov/patft/index.html) за период с 1976 по 2014 г. Полученные материалы существенно дополнили результаты выполненных в 2010-2011 гг. начальных этапов патентного поиска [3, 4].

Последующий детальный анализ сущности изобретений, недостатков, степени использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), эффективности и поиска возможных прототипов при разработке новых технических решений проводился в отношении 59 авторских свидетельств и патентов на изобретения (рисунки 1-3) (по состоянию на 01.07.2014).

Рисунок 1 - Динамика получения патентов на изобретения по вопросу исследований за период 1976-2014 гг. N1, N2 - количество патентов по годам публикации и приоритета

испарение водный орошаемый земледелие

Рисунок 2 - Распределение патентов по вопросу исследований за период 1976-2014 гг. по странам выдачи и заявителям WIPO - Всемирная организация интеллектуальной собственности

Рисунок 3 - Распределение патентов по подклассам Международной патентной классификации (МПК)

Анализ приведенных выше графических материалов позволяет утверждать:

- динамика получения патентов на изобретения по вопросу исследований хорошо аппроксимируется многочленами второй степени с коэффициентами детерминации 0,991 и 0,988 соответственно для лет публикации и приоритета изобретений, что подтверждает растущий интерес в мире к предмету исследований;

- страны - лидеры по выдаче патентов на способы и устройства для интенсификации испарения ранжируются следующим образом (первая пятерка): США, Россия (СССР), Китай, Япония, Корея (соответственно 18, 13, 6, 5 и 4 патентов); по заявителям: США, Россия (СССР), Израиль, Китай, Япония (соответственно 14, 12, 9, 6 и 6 патентов);

- ранжирование подклассов МПК, к которым отнесены большинство выявленных по вопросу исследований патентов на изобретения, имеет вид: С 02 F (30,5 %), B 01 D (25,4 %), C 01 D (13,6 %). К указанным трем подклассам МПК относится 41 патент, или 69,5 % от их общего числа.

Из общего числа отобранных патентов (59 шт.) часть технических решений была запатентована в нескольких странах. Это сократило объем выборки для последующего анализа до 51 изобретения.

Анализ сущности 51 технического решения по интенсификации испарения позволил установить следующее.

Процесс интенсифицированного испарения реализуется в пространстве по следующим вариантам: 1) в пределах закрытой установки; 2) в пределах всей площади накопителя; 3) на части площади накопителя; 4) на части площади накопителя и (или) берега; 5) на части площади берега накопителя; 6) в пределах всей площади накопителя и части берега (рисунок 4).

Рисунок 4 - Варианты реализации процесса интенсифицированного испарения в пространстве

Выбор того или иного варианта пространственной реализации изучаемого процесса зависит от достаточно большого количества факторов, среди которых:

- генезис испаряемой воды (естественные водотоки и водоемы, сточные воды промышленности и коммунального хозяйства; сточные воды сельского хозяйства и др.);

- цели интенсификации испарения (сокращение объема при отсутствии потребителей; опреснение, концентрирование рассолов, включая получение солей; охлаждение и (или) увлажнение воздуха и др.);

- наличие и доступность энергетических ресурсов;

- наличие потребителей конечного продукта рассматриваемого процесса в непосредственной близости от накопителя;

- степень опасности процесса в плане загрязнения окружающей среды (воздуха, подземных вод, прилегающей территории и др.).

Последнее является чрезвычайно важным. Так, по данным В.Н. Синякова и др. (2003) [5], в зоне накопителей жидких промышленных отходов на юге Волгограда (общая площадь накопителей - 160 км2) загрязнение атмосферы вредными веществами в летний период распространяется на высоту около 100 м и на расстояние более 35 км. В этой связи интенсификация испарения «условно чистых» дренажных вод не представляется опасной, а использование этого способа утилизации применительно к промышленным стокам более чем проблематично.

Как следует из материалов рисунка 4, наибольшее число технических решений создано в виде специальных закрытых установок (37,25 %), в которых, как будет показано ниже, используется максимальное количество регулируемых факторов, обеспечивающих увеличение испарения, что приводит к усложнению конструкции, увеличению стоимости и требует устойчивого и значительного энергоснабжения. В 25 технических решениях (49,0 %) интенсификация испарения обеспечивается в пределах всей или части площади накопителя. Эти варианты (2-й и 3-й) наиболее предпочтительны для поиска новых технических решений по повышению эффективности функционирования накопителей минерализованного дренажного стока. В меньшей степени для интенсификации испарения используется прилегающая к накопителю территория (семь технических решений, или 13,7 %), что также следует рассматривать в качестве возможной области поиска новых технических решений.

Испарение воды - достаточно энергоемкий процесс. Скрытая теплота испарения воды равна 2257 кДж/кг. Теоретически испарение 1 кг воды эквивалентно охлаждению 100 м3 сухого воздуха с 40 до 22 °С. Применяемые в настоящее время варианты энергетического обеспечения процесса интенсифицированного испарения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Варианты энергетического обеспечения процесса интенсифицированного испарения

В анализируемой выборке изобретений в 51,0 % случаев для энергетического обеспечения процесса интенсифицированного испарения применяется органическое топливо и (или) электроэнергия, дополненные ВИЭ - солнечной энергией и энергией ветра. Примерно в равных долях рассматриваемый процесс осуществляется исключительно за счет применения ВИЭ (27,45 %), а также органического топлива и (или) электроэнергии (21,57 %).

В таблице 2 приведены данные об энергетическом обеспечении процесса интенсифицированного испарения в зависимости от варианта его реализации в пространстве. Из материалов таблицы 2 следует:

- органическое топливо и (или) электроэнергия чаще всего используются при осуществлении процесса интенсифицированного испарения в условиях закрытых установок (11 технических решений из 19, или 57,9 %);

- ВИЭ в качестве дополнения к органическому топливу и (или) электроэнергии чаще используются при осуществлении изучаемого процесса на части площади накопителя (шесть технических решений из девяти, или 66,7 %);

- только ВИЭ или ВИЭ в качестве дополнения к органическому топливу и (или) электроэнергии в равной степени применялись при осуществлении процесса интенсифицированного испарения в пределах всей площади накопителя (по 8 технических решений из 16, или по 50 %).

Таблица 2 - Энергетическое обеспечение процесса интенсифицированного испарения

Результаты патентного поиска подтвердили правильность выбранных ранее направлений интенсификации испарения [4] и позволили оценить степень их современного использования (рисунок 5).

По состоянию на 01.07.2014 из 51 технического решения в 40 случаях (78,4 %) интенсификация испарения обеспечена увеличением площади испаряющей поверхности в сочетании с другими вариантами интенсификации процесса, а в 27 изобретениях (52,9 %) - использованием пористых и капиллярно-пористых материалов.

Детализация направлений интенсификации испарения в зависимости от вариантов осуществления процесса в пространстве приведена в таблице 3. Условные обозначения вариантов интенсификации испарения в таблице 3 такие же, как на рисунке 5.

Таблица 3 - Направления интенсификации испарения с водной поверхности для различных вариантов реализации процесса в пространстве

Рисунок 5 - Реализованные в технических решениях варианты интенсификации процесса испарения S - увеличение площади испаряющей поверхности; S + t - увеличение площади испаряющей поверхности и температуры воды; t - увеличение температуры воды; S + t + V - увеличение площади испаряющей поверхности, температуры воды и использование энергии ветра; S + V - увеличение площади испаряющей поверхности и использование энергии ветра; S + ВВР - увеличение площади испаряющей поверхности и использование высшей водной растительности; V - использование энергии ветра; МО - обработка воды магнитным полем

Для технических решений в виде закрытых установок характерно совместное регулирование максимального количества факторов, определяющих интенсивность испарения [площади испаряющей поверхности, температуры воды и скорости ветра (S + t + V) (26,30 %)], а также двух факторов [S + V (21,05 %)] или наиболее действующего фактора [S (21,05 %)].

Увеличение испарения со всей площади накопителя обеспечивается главным образом в результате повышения температуры воды (t) (43,75 %), затем за счет регулирования двух факторов (S + t) (25,00 %) и одного (S) (18,75 %).

В технических решениях, осуществляющих интенсификацию процесса испарения на части площади накопителя, чаще всего увеличивают только площадь испаряющей поверхности (S) (6,67 %) или сочетают увеличение площади с повышением температуры воды (S + t) (33,33 %).

Анализ результатов патентного поиска позволил конкретизировать применяемые технические решения по следующим направлениям интенсификации испарения.

1 Увеличение площади испаряющей поверхности: всего 40 изобретений, в том числе дождевание - 11 технических решений, или 27,5 %; увлажнение пористых и капиллярно-пористых материалов - 27 технических решений, или 67,5 %; увлажнение дополнительных элементов из других материалов - два технических решения, или 5,0 %.

1.1 Применяемые для дождевания аппараты и установки: всего 11 технических решений, в том числе короткоструйные - пять технических решений (45,4 %); дальнеструйные - два (18,2 %); для мелкодисперсного дождевания - два (18,2 %); другие варианты - два технических решения (18,2 %).

1.2 Форма увлажняемых элементов из пористых и капиллярно-пористых материалов: всего 27 технических решений, в том числе полотна - 14 технических решений (51,9 %); пластины - пять (18,5 %); цилиндры - четыре (14,8 %); шарики - два (7,4 %); лента транспортера - одно (3,7 %), дамбы из почвогрунта - одно техническое решение (3,7 %).

1.3 Расположение увлажняемых элементов из пористых и капиллярно-пористых материалов в пространстве: всего 27 технических решений, в том числе частично в воздухе и воде - 10 технических решений (37,0 %); на поверхности воды - восемь (29,6 %); над поверхностью воды или берега - четыре (14,8 %); периодически над поверхностью воды и под водой - три (11,1 %); в приповерхностном слое воды - одно (3,7 %); почвогрунты - одно техническое решение (3,7 %).

1.4 Направление подачи воды в увлажняемые элементы из пористых и капиллярно-пористых материалов: всего 27 технических решений, в том числе снизу вверх - 16 технических решений (59,3 %); сверху вниз - 11 технических решений (40,7 %).

2 Увеличение температуры воды: всего 27 технических решений, в том числе за счет подогрева воды - 16 технических решений (59,3 %); изменения альбедо пористого и капиллярно-пористого материала - шесть (22,3 %); экранирования приповерхностного слоя воды - два (7,4 %); изменения альбедо воды - одно (3,7 %); подогрева воздуха в установке - одно (3,7 %); размещения теплопоглощающего материала на дне накопителя - одно техническое решение (3,7 %).

2.1 Подогрев воды: всего технических решений 16, в том числе подогрев воды в закрытой установке - шесть технических решений (37,5 %); подогрев воды от аккумулятора солнечной энергии - пять (31,2 %); нагревательные элементы на дне накопителя - три (18,8 %); нагревательные элементы в поверхностном слое воды - два технических решения (12,5 %).

2.2 Изменение альбедо элементов из пористого и капиллярно-пористого материала за счет применения материалов или их внешних слоев черного цвета: всего шесть технических решений (100 %).

3 Увеличение скорости ветра: всего 13 технических решений, в том числе за счет использования вентиляторов в закрытых установках - 10 технических решений (76,9 %); концентрирования воздушных потоков ветровыми плотинами - два (15,4 %); использования естественного ветра и дополнительных вентиляторов в открытых установках - одно техническое решение (7,7 %).

Анализ отобранных по изучаемой проблеме изобретений показал, что при увеличении площади испаряющей поверхности испарение возрастает в 1,3-30,0 раза (шесть оценок) и до полного испарения (одна оценка), при увеличении площади испаряющей поверхности и температуры воды - максимум в 35 раз (одна оценка), при увеличении площади испаряющей поверхности и скорости ветра - в 1,10-1,62 раза (две оценки), при увеличении температуры воды - в 1,2-13,0 раза (пять оценок), а при обработке воды магнитным полем - на 19,4 % (одна оценка). На основании приведенных выше данных не представляется возможным выбрать наиболее эффективное направление интенсификации испарения с водной поверхности, так как кроме собственно значения показателя эффективности необходимо располагать и данными о затратах на создание и эксплуатацию каждого технического решения.

Таким образом, выполненный патентный поиск технических решений для интенсификации испарения с водной поверхности позволил:

- подтвердить мировой интерес к данному направлению исследований и его перспективность, в том числе и для утилизации минерализованных дренажных вод;

- установить существующий уровень техники по вопросу исследований: 59 патентов и авторских свидетельств (51 техническое решение) за период 1976-2014 гг. (2014 г. - первое полугодие) в 10 странах мира;

- определить основные тенденции создания технических решений для интенсификации испарения в плане: 1) реализации процесса в пространстве; 2) энергетического обеспечения процесса; 3) направлений интенсификации процесса (увеличения площади испаряющей поверхности, температуры воды, скорости ветра и их комбинаций);

- выявить наиболее перспективные направления поиска новых технических решений: 1) увеличение площади испаряющей поверхности преимущественно за счет применения пористых и капиллярно-пористых материалов; 2) повышение температуры воды.

Список литературы

1. Кондрашкина, Г. В. Патентные исследования с целью определения уровня техники по ГОСТ Р 15.011-96 [Электронный ресурс] / Г. В. Кондрашкина. - Режим доступа: http: invur.ru/index.php?page=innstr&cat=int_sob&doc=pat_is, 2015.

2. Дыков, М. А. Поддержка принятия решений при анализе уровня техники для патентных заявок: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.13.01 / Дыков Михаил Александрович. - Волгоград, 2014. - 16 с.

3. Бородычев, В. В. Концепция использования возобновляемых источников энергии для утилизации минерализованного дренажного стока / В. В. Бородычев, И. И. Конторович. - Волгоград: ВолГАУ, 2012. - 104 с.

4. Конторович, И. И. Основные направления интенсификации испарения минерализованных дренажных вод на основе использования возобновляемых источников энергии / И. И. Конторович // Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России (Костяковские чтения): материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Москва, 20-21 марта 2013 г. - М.: Изд-во ВНИИА, 2013. - С. 297-302.

5. Синяков, В. Н. Геоэкологическая безопасность Волгоградской области / В. Н. Синяков, С. В. Кузнецова, Ю. Л. Беляева // Использование и охрана природных ресурсов в России. - 2003. - № 4-5. - Режим доступа: http: priroda.ru/reviews/deta-il.php?ID=4266, 2015.

Размещено на Allbest.ru