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WO1999011360A1 - Desaladora de agua mediante osmosis inversa por camaras presurizadas con piston en suspension y sistema de deteccion del posicionamiento de este - Google Patents

Desaladora de agua mediante osmosis inversa por camaras presurizadas con piston en suspension y sistema de deteccion del posicionamiento de este Download PDF

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WO1999011360A1
WO1999011360A1 PCT/ES1998/000240 ES9800240W WO9911360A1 WO 1999011360 A1 WO1999011360 A1 WO 1999011360A1 ES 9800240 W ES9800240 W ES 9800240W WO 9911360 A1 WO9911360 A1 WO 9911360A1
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WO
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chambers
piston
water
pump
reverse osmosis
Prior art date
Application number
PCT/ES1998/000240
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Barreto Avero
Original Assignee
Manuel Barreto Avero
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Manuel Barreto Avero filed Critical Manuel Barreto Avero
Priority to AU89799/98A priority Critical patent/AU8979998A/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/06—Energy recovery
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the invention relates to a system for desalination of water by reverse osmosis, a system that is based on the use of chambers with compensated pressures that allow the operational and functional phases to be carried out with a minimum energy expenditure, therefore requiring a much lower power than the necessary in the systems that are currently used for the same purposes. It also refers to a series of improvements that aim to simplify the system and achieve even greater efficiency in its operation, without reducing the performance obtained.
  • Water desalination, using the principle of reverse osmosis requires complex and expensive facilities, to which the high energy cost necessary to pump large flows of water at high pressure must be added and only use a maximum of 55% of it. In addition, these desalination plants require a high maintenance cost.
  • the system that has been recommended has been designed to solve this problem to full satisfaction based on a simple and effective solution that as a first advantage can be cited energy saving, simplicity and low cost of installation, as well as low cost maintenance due to the reduction of failures in the installation, since this is very simple.
  • the system in principle comprises two cylindrical tubes or nurse chambers that will be pressurized alternately with the osmosis membrane, these chambers or cylinders being connected by one end to the entrance of the membrane and the other end to the exit of rejection of it.
  • a loose piston with a very special design without friction is housed in each chamber or cylinder, which acts as a separation wall between the brine and the desalinated water and this in turn has a magnetic ring or well distributed magnets that will give at any time its position by means of magnetic sensors of the type reed ampoules that will be placed on the outside and throughout the chambers or nurse cylinders, being able to control in this way the amounts of water displaced, to make the change of chamber by means of an automatism, or computer system.
  • the piston also has valve covers for limit switches.
  • a first improvement consists in carrying out a previous pressurization of the nurse chambers before compensating their pressures with the osmosis membrane, being able to achieve that previous pressurization in various ways:
  • valves By a very small initial opening of the valves provided for the communication passages between the chambers and nurses osmosis membrane, in order to provide a minimal and negligible flow to the second pump, so that once balanced Pressures of this and the osmosis membrane, the valves open normally until they reach their maximum flow.
  • Another improvement of the invention focuses on the nature and structural characteristics of the pistons, which can be of any material, with any design and density, provided they meet the condition of "levitate" in the nurse chambers.
  • Another improvement is that the detection of the positioning of the pistons can be carried out by any known or known system, from the use of radiant energy by ultrasound, electromagnetic waves, etc., to be based on the echo of a radiation or the effect Doppler, and even based on the laser.
  • Another improvement consists in being able to replace the pump that circulates the water from the nurse chambers to the osmosis membrane, with a nozzle provided at the exit of the main pump or second pump located in the corresponding duct, through whose nozzle a venturi effect is achieved that simplifies the system without increasing energy consumption.
  • FIG 1 the system is shown in plan in the initial phase of operation, being able to see one of the side or nurse chambers that is with its piston in position to start its water filling stroke to desalt, with its outer valves open, and the opposite chamber with the piston walking in the opposite direction, supplying water to the membrane and with the outer valves closed.
  • figure 2 the same system of the previous figure is shown in an intermediate state where the two chambers work at the same time supplying water to the membrane, the pistons walk in the same direction and all the valves outside are closed.
  • Figures 5, 6 and 7 show two detailed views corresponding to the operation of the piston.
  • FIGS 12, 13, 14 and 15 show two phases of operation of the system in which precisely the improvements of the invention will be applied.
  • Figures 16, 17 and 18 show many other views of the system with a different means in each case to achieve the previous pressurization of the nurse chambers before compensating their pressures with that of the osmosis membrane.
  • Figures 19 and 20 show detailed views and the practical application of a nozzle to circulate the water of the nurse chambers to the osmosis membrane.
  • Figures 21, 22, and 23, show a detail and practical application of a turbine to circulate the water of the nurse chambers to the osmosis membrane.
  • Figures 24 and 25 show the system in operation with the nozzle and turbine, respectively, according to the details and practical application represented in figs. 19, 20, 21, 22, and 23.
  • Figure 26 finally shows a schematic detail of a particular form or embodiment of the ultrasonic detection means to know the position of the freely arranged pistons in the nurse chambers.
  • the system of the invention comprises two nurse chambers (5 and 5 ') provided with two pistons (6 and 6 ⁇ ) that serve as a dividing wall between the water to be desalted and the brine.
  • These pistons carry a magnetic field in their central line, produced by an inner magnet that is able to excite the rows of detectors (11 and 17) placed along all said chambers or nurse cylinders (5 and 5 " ).
  • the aforementioned chambers take the desalinated water supplied by the low pressure auxiliary pump (1) through the inlet valves (7-7 ') and this auxiliary pump (1) also supplies the water to the main or high pressure pump (2).
  • the chambers or nurse cylinders (5-5 ') are connected to the osmosis membrane (4) through the ducts of the recirculation valves (9-9') and brine (10-10 ') where the recirculation pump (3) will make the passage between chamber and membrane and membrane to chamber the brine.
  • the high pressure pump (2) which is the one to which It tries to reduce consumption, and it is the one that supplies the water that will pass through the membrane. The operation is as follows:
  • auxiliary pump (1) will give a gross flow rate that will branch off through the ducts (16 or 16 ') that go to the nurse chambers or cylinders, and through the duct (17) to the main, high pressure pump (2), which is responsible for introducing its flow to the osmosis membrane (4), and that is approximately 1/4 or 1/3 of the gross flow that enters the plant through the auxiliary pump (1).
  • the water supply of the cylinder or nurse chamber (5 ') to the membrane (4) will end when the piston (6') of the aforementioned fig. 1 reaches the end of its travel.
  • the work being done by the recirculation pump (3) is to pump a water flow equal to the amount of rejection water that the membranes allow and with a pressure less than 2 Kg./cm2, which is the friction of Brine in a 6 meter tube with 6 membranes (currently). Including the operation of the recirculation pump (3) in closed circuit until now without pressure, so that permeability in the membrane occurs, the high pressure pump (2) will be operated.
  • the water supply of the recirculation pump (3) to the membrane (4) will last what it takes for the piston (6 ') to travel in its path from right to left in the cylinder or nurse chamber (5'). Its starting position is detected because it carries a magnet (35) of fig. 5 that excites the first one on the right of the row of sensors or blister switches network (11-11 ') fig. 1, data that will be recorded by a processor or automaton (12).
  • the automaton Before the piston (6 ') ends its travel and at the point of interest, the automaton will be programmed so that when the sensor corresponding to that position of the piston (6') is excited, it will make the following valve changes: the inlet valves (7) and discharge (8) are closed, because being from the beginning of the operation open, the piston (6) corresponding to the chamber or cylinder (5) has moved from left to right, very quickly, being in this moment to the right of the camera (5) of fig. 2. With the external inlet and discharge valves (7-8-7'-8 ') all closed, the recirculation and brine valves (9) and (10) are opened, leaving the system pressurized with both chambers (5 ) and (5 ') as indicated in fig. 2.
  • a great novelty of the system lies in the piston, which has a very special design, with three great advantages.
  • the first is that it does not have seals and also does not rub against the cylinder walls, therefore there is no resistance to progress or wear or maintenance, it even has enough slack, enough, so that when advancing the piston is immersed in the sine of water, which keeps it separated from the cylinder, without rubbing, and without the need for the cylinder to be rectified inside, as would be the logical and usual.
  • the pistons can have many different shapes, but they can be solid or hollow, open or closed, ballasted or not and the materials can be as diverse as possible, and even of various materials, the condition is that it is stabilized within Water.
  • Fig. 8, 9, 10 and 11 give an idea of the forms it can take and its balance within the water.
  • the piston (39) of fig. 8 and fig. 9. It is a fairing and closed body, while fig.10 and fig.11 show an open shape where water enters.
  • the second great novelty in the piston is that it has one or more magnets incorporated that will detect its position, placing on the outside and along the chamber simple magnetic detectors of the type red blisters. It is convenient to use network magnetic switches, as these are extremely cheap and extremely reliable, and can also be placed, to guarantee contact, in a single sensor, more than one vial in parallel, although inductive, capacitive, detectors can also be used. of salinity etc.
  • the cameras may be made of composite, stainless steel or any material that does not interpose between the magnetic, electronic, or photonic flow, etc. of the detection system used. You can also use systems that detect positioning, such as magnetic rules that have steps with reading heads also dragged by magnetic fields on the piston, etc. The detection of the positioning of each piston not only provides the data of the volume of water existing at each moment, it also provides if the circulation pump has failed or if any piston has stopped and schedule an emergency stop, for example.
  • the third characteristic of the piston is that on each side of the piston, that is, in the center of the cylinder bases that configure it, the covers of the two valves would be arranged, whose respective seats would be at the end of the path, at the ends of the chamber nurse, both on one and the other side of it. These valves would serve as safety elements in case of failure of any of the system control valves, so that the brine does not pass to the membrane.
  • a detail of the positioning system is shown in figs.5, 6, and 7, and the detail of the limit switch divided into the mobile cover (36), which belongs to the piston (6), and the static seat (37) that belongs to the cylinder or chamber (5).
  • the piston passively divides the environment in which it is located, so that when complemented with the aforementioned positioning means, it can be known quite accurately where is the line that divides the water to be desalted from the brine, with no pressure difference on both sides of the piston, moving with the current as if it were a group of structured water molecules.
  • the system comprises, as described above, a pair of nurse chambers (5 and 5 ') provided with two pistons (6 and 6 ') that serve as a dividing wall between the water to be desalted and the brine.
  • Said pistons are equipped with a magnetic field in their central perimeter line, produced by an inner magnet that is capable of exciting paths of detectors (11 and 11 ') placed along the chambers (5 and 5'), the water to be desalinated from the supply provided by a first low pressure pump (1), through the inlet valves (7-7 ').
  • the output is made through the discharge valves (8-8 '), provided in the ducts (15 and 15'), the respective osmosis membrane (4) being connected to the chambers (5 and 5 ') through of the ducts (21-21 ') and (22-22') in which the recirculation and brine valves (9-9 ') and (10-10') are inserted.
  • the recirculation pump (3) Prior to the inlet duct (19), the recirculation pump (3) arranged in the duct (18 ') in which the ducts of the recirculation valves (9-9') concur.
  • the osmosis membrane (4) has an outlet (14) to the outside.
  • the recirculation and brine valves (9-9 ') and (10 and 10') would have a very special design since when they started to open they would not do so as a conventional valve but would let a tiny part of the flow escape That is capable of giving. When it says tiny flow we mean a quantity small enough that it is not appreciated in the pressure reading of the pressure gauge of the main pump.
  • the recirculation and brine valves (9) and (10) can continue to open normally at their maximum flow .
  • FIG (5) Another way to achieve "prior pressurization” is as shown in figure (5), by installing small valves (23-23 ') of very small flow with their respective conduits between the duct (18) of the high pump pressure (2) and the ducts (21-21 ') of the chambers (6-6') respectively, and that will open immediately after the inlet and discharge valves (7-8) and (7'-8 ' ) have been closed leaving the chambers (5 and 5 ') closed and at atmospheric pressure.
  • the section of these small valves has to be very small so that the pressure stabilization is so slow that the flow of the high pressure pump (2) is practically not diminished.
  • FIG 17 another variant of the "previous pressurization” can be observed, this time using an accumulator (65) such as nitrogen bladder, piston or other similar system, which will store an amount of water taken through the duct ( 24) of the high pressure pump (2) and that will pour into the chambers through the valves (23) and (23 '), at the right time.
  • an accumulator (65) such as nitrogen bladder, piston or other similar system
  • Another solution to solve the "previous pressurization” is the one shown in fig. 18, where a small auxiliary pressurization pump (66) provides the necessary flow to pressurize the chambers (6-6 ') to the pressure of the high pressure pump (2) through the small valves (23) and (23 ').
  • Another improvement of the invention consists in replacing the recirculation pump (3), which circulates the water of the chambers (5 and 5 ') to the membrane (4), and the rejection brine thereof again to the referred chambers (5 and 5 '), by other means that perform said function with more simplicity, being able to eliminate such recirculation pump (3) and be replaced by other means.
  • the design of the nozzle can be of very varied forms, since it can be simple or composed of several nozzles at the same time, and these can laminate the fluid in various ways, such as cylindrical jet, flat, in the form of sheets, etc.
  • the propeller (29) would be responsible for managing the flow that recirculates in a closed circuit and that all the flow of the high pressure pump (2) would flow through the outlet (60).
  • a helical-type turboprop has been put on, but any type of turbo-pump can be put on, the normal thing nowadays would be the classic centrifugal-type turbo-pump or BOOSTER as can be seen in figure 25
  • Another improvement consists in the way of detecting the positioning of the pistons (6 and 6 '), as well as their characteristics.
  • the detection of the position of the piston can also be achieved by ultrasound, or with other types of radiant energy, such as electromagnetic waves, using the most appropriate frequency ranges.
  • Systems that are based on the echo of a radiation or also, those based on the Doppler effect are widely used systems to measure distances or speeds.
  • Lasers are also consistent beams widely used in navigation and ballistics with very accurate results. Thanks to the optical transparency of the water, the telemetry systems of convergence of light beams or autofocus with photoreceptors can be used for this purpose.
  • the placement of the sensors would be appropriate to the detection system used, if, for example, photoelectric detectors are used, perforations would be made throughout the cylinder's generator, if we use an "echo system”"or” Doppler "could be placed the emitters and receivers of the signal in the covers or bases of the cylinders or chambers, as illustrated in fig.
  • the material with which the piston must be constructed does not precisely have to be of density equal to that of brine or seawater, can be of any material that resists working conditions, can be metallic, for example, and carry floats constructed with suitable materials, what is intended is that in the end the assembly is levitating within the water, even as on one side the piston has brine and on the other water to desalinate, it can be designed with different buoyancy, on the one hand and on the other depending on the densities of the water on either side of the piston. Fulfilling the condition of having a buoyancy equal to "zero", the shape of the piston can be as varied as desired.
  • the piston is already guided inside the cylinder, but if desired, for large pistons, guides or rails can be placed inside the cylinder, where it will slide without weight, by means of skates or wheels.

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Abstract

Comprende dos tubos cilíndricos o cámaras nodrizas que se presurizan alternativamente con la membrana de osmosis, estando estas cámaras o cilindros conectadas por un extremo a la entrada de la membrana y por el otro extremo a la salida de salmuera. El ahorro energético en este sistema de osmosis inversa estriba en que al estar presurizada la membrana con la cámara nodriza por ambos lados, a alta presión, la circulación del agua requiere poca energía. En cada cámara o cilindro va alojado un pistón flotante, sin rozamientos, que actúa como tabique de separación entre la salmuera y el agua a desalar, presentado imanes que darán su posición mediante unos sensores colocados en el exterior de las cámaras, pudiéndose controlar de esta manera las cantidades de agua desplazadas, con objeto de hacer el cambio de cámara. Adicionalmente esta prevista una pressurización previa en cada ciclo.

Description

DESALADORA DE AGUA MEDIANTE OSMOSIS INVERSA POR CÁMARAS
PRESURIZADAS CON PISTÓN EN SUSPENSIÓN
Y SISTEMA DE DETECCIÓN DEL POSICIONAMIENTO DE ESTE
DESCRIPCIÓN
La invención se refiere a un sistema para desalinizar agua por osmosis inversa, sistema que se basa en la utilización de unas cámaras con presiones compensadas que permiten realizar las fases operativas y funcionales con un mínimo gasto energético, requiriéndose por tanto una potencia muy inferior a la necesaria en los sistemas que actualmente se utilizan para las mismas finalidades. Igualmente se refiere a una serie de mejoras que tienen por objeto simplificar el sistema y conseguir incluso una mayor eficacia en su funcionamiento, sin merma del rendimiento obtenido. La desalinización de agua, utilizando el principio de la osmosis inversa, requiere complejas y caras instalaciones, a lo cual debe añadirse el elevado coste energético necesario para bombear grandes caudales de agua a alta presión y solo aprovechar como máximo un 55% del mismo. Además estas plantas desalinizadoras precisan un alto coste de mantenimiento.
El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver esa problemática a plena satisfacción basándose en una solución sencilla y eficaz que como primera ventaja puede citarse el ahorro energético, la simplicidad y bajo coste de la instalación, así como un mantenimiento poco costoso por la reducción de averías en la instalación, ya que ésta es muy simple.
El sistema en principio comprende dos tubos cilindricos o cámaras nodrizas que se presurizaran alternativamente con la membrana de osmosis, estando estas cámaras o cilindros conectadas por un extremo a la entrada de la membrana y por el otro extremo a la salida del rechazo de esta.
El ahorro energético en este sistema de osmosis inversa estriba en que al estar presurizada la membrana con la cámara nodriza por ambos lados, a alta presión, la circulación del agua entre ambas requiere poca presión, por lo tanto poca energía, exactamente el diferencial de presión que corresponde a la perdida de carga por rozamiento de la salmuera en la membrana por el caudal correspondiente.
En cada cámara o cilindro va alojado un pistón suelto con un diseño muy especial sin rozamientos, que actúa como tabique de separación entre la salmuera y el agua a desalar y este a su vez tiene un aro magnético o imanes bien distribuidos que dará en cualquier momento su posición mediante unos sensores magnéticos del tipo ampollas reed que estarán colocados en el exterior y a todo lo largo de las cámaras o cilindros nodrizas, pudiéndose controlar de esta manera las cantidades de agua desplazadas, para hacer el cambio de cámara mediante un automatismo, o sistema informático. El pistón cuenta también con las tapas de válvulas para final de carrera. En el sistema se emplean tres bombas, una como en todas las plantas desaladoras suministra el agua del mar o pozo a la planta desalinizadora, otra que es la bomba principal que tendrá solo la capacidad de bombeo del producto a la presión de la membrana, o sea aproximadamente un tercio de lo que se emplea en un sistema sin recuperación y por ultimo una tercera bomba de baja potencia que suministrará la energía que se precisa para hacer circular la salmuera, o rechazo. Una primera mejora consiste en realizar una presurizacion previa de las cámaras nodrizas antes de compensar las presiones de éstas con la membrana de osmosis, pudiéndose conseguir esa presurizacion previa de diversas maneras:
1a.- Mediante una apertura inicial muy pequeña de las válvulas previstas en los conductos de comunicación entre las cámaras nodrizas y la membrana de osmosis, con el fin de aportar un mínimo e inapreciable caudal hacia la segunda bomba, de manera que una vez equilibradas las presiones de ésta y de la membrana de osmosis, las válvulas se abran normalmente hasta alcanzar su caudal máximo.
2a.- Mediante una pareja de pequeñas válvulas intercaladas entre el conducto de la segunda bomba y los conductos de entrada a las cámaras nodrizas. 3a.- Mediante un acumulador de agua conectado al conducto de la segunda bomba, a través de cuyo acumulador y mediante sendas válvulas pequeñas se puede aportar el caudal a los conductos de entrada de las cámaras nodrizas.
4a.- Mediante una pequeña bomba auxiliar intercalada entre los conductos de entrada de las cámaras nodrizas, con una pequeña válvula en cada ramal de conexión. 5a.-. Mediante una combinación de las soluciones 3a y 4a, para reducir así la potencia de la bomba auxiliar.
Otra mejora de la invención se centra en la naturaleza y características estructurales de los pistones, pudiendo ser éstos de cualquier material, con cualquier diseño y densidad, siempre que cumplan la condición de "levitar" en las cámaras nodrizas.
Otra mejora consiste en que la detección del posicionamiento de los pistones, puede realizarse por cualquier sistema conocido o por conocer, desde la utilización de energía radiante mediante ultrasonidos, ondas electromagnéticas, etc., hasta basarse en el eco de una radiación o en el efecto Doppler, e incluso basándose en el láser. Otra mejora consiste en poder sustituir la bomba que hace circular el agua desde las cámaras nodrizas a la membrana de osmosis, por una tobera prevista a la salida de la bomba principal o segunda bomba situada en el conducto correspondiente, mediante cuya tobera se consigue un efecto venturi que permite simplificar el sistema sin verse aumentado el consumo de energía.
En lugar de la tobera puede aplicarse una turbo-bomba. Esas y otras particularidades se comprenderán más fácilmente sobre la base de la descripción que seguidamente se va a realizar con ayuda de un juego de planos que se acompañan a esta memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: En la figura 1 , se muestra el sistema en planta en la fase inicial de funcionamiento, pudiéndose ver una de las cámaras laterales o nodrizas que está con su pistón en posición de iniciar su carrera de llenado con agua a desalar, con sus válvulas exteriores abiertas, y la cámara opuesta con el pistón caminando en sentido contrario, suministrando agua a la membrana y con las válvulas exteriores cerradas. En la figura 2, se muestra el mismo sistema de la figura anterior en un estado intermedio donde funcionan las dos cámaras a la vez suministrando agua a la membrana, los pistones caminan en un mismo sentido y todas las válvulas del exterior están cerradas.
En la figura 3, se muestra el mismo sistema de la figura 1 , con los pistones caminando en sentidos opuestos, y las válvulas también en posición invertida a la figura primera, es decir, los pistones que iban de izquierda a derecha ahora lo hacen de derecha a izquierda y viceversa, y las válvulas que antes estaban cerradas, ahora están abiertas.
En la figura 4, se muestra el sistema funcionando con varias cámaras en paralelo.
En las figuras 5, 6 y 7, se muestran sendas vistas en detalle correspondientes al funcionamiento del pistón.
En las figuras 8, 9 10 y 11 , se muestran otras tantas vistas en detalle de diferentes formas que puede adoptar el pistón así como el equilibrio del mismo en el seno del agua.
Las figuras 12, 13, 14 Y 15, muestran sendas fases de funcionamiento del sistema en el que precisamente se aplicarán las mejoras de la invención.
Las figuras 16, 17 Y 18, muestran otras tantas vistas del sistema con un medio diferente en cada caso para conseguir la presurizacion previa de las cámaras nodrizas antes de compensar las presiones de éstas con la de la membrana de osmosis. Las figuras 19 Y 20, muestran sendas vistas en detalle y de la aplicación práctica de una tobera para hacer circular el agua de las cámaras nodrizas a la membrana de osmosis.
Las figuras 21 , 22, Y 23, muestran un detalle y aplicación práctica de una turbina para hacer circular el agua de las cámaras nodrizas a la membrana de osmosis.
Las figuras 24 Y 25, muestran el sistema en funcionamiento con la tobera y turbina, respectivamente, de acuerdo con los detalles y aplicación práctica representadas en las fig. 19, 20, 21 , 22,y 23.
La figura 26, muestra finalmente un detalle esquemático de una forma o realización concreta de los medios de detección por ultrasonido para conocer la posición de los pistones dispuestos libremente en las cámaras nodrizas.
Según y como puede verse en las referidas figuras, el sistema de la invención comprende dos cámaras nodrizas (5 y 5') provistas de sendos pistones (6 y 6Λ) que sirven de tabique divisor entre el agua a desalar y la salmuera. Estos pistones, de muy especial diseño, llevan un campo magnético en su línea central, producido por un imán interior que es capaz de excitar a las hileras de detectores (11 y 17) colocados a todo lo largo de dichas cámaras o cilindros nodrizas (5 y 5"). Las referidas cámaras toman el agua a desalar que les suministra la bomba auxiliar de baja presión (1) a través de las válvulas de entrada (7-7') y esta bomba auxiliar (1) le suministra también el agua a la bomba principal o de alta presión (2). Las cámaras o cilindros nodrizas (5-5') están conectados a la membrana de osmosis (4) a través de los conductos de las válvulas de recirculacion (9-9') y salmuera (10-10') donde la bomba de recirculacion (3) hará el paso entre cámara y membrana y de membrana a cámara la salmuera. Por ultimo, queda la bomba de alta presión (2), que es a la que se le intenta reducir el consumo, y es la que suministra el agua que va a atravesar la membrana. El funcionamiento es como sigue:
Partiendo de la posición representada en la figura 1 , y dando por hecho que todo el sistema se encuentre cargado con agua y con las bombas cebadas, el agua del mar o pozo a desalinizar llegará a pie de planta suministrada por la bomba auxiliar (1), que es común a todos los sistemas y que generalmente es muy pequeña por estar las plantas desalinizadoras casi siempre al nivel del mar. Esta bomba auxiliar (1) dará un caudal bruto que se bifurcará por los conductos (16 ó 16') que van a las cámaras nodrizas o cilindros, y por el conducto (17) a la bomba principal, de alta presión (2), que es la encargada de introducir su caudal a la membrana de osmosis (4), y que es aproximadamente 1/4 ó 1/3 del caudal bruto que entra en la planta por la bomba auxiliar (1). Por otro lado hay una tercera bomba de recirculacion (3) que tiene una característica inusual en el mercado, y es que su carcasa tiene que soportar la alta presión de la bomba de alta presión (2) entre 60 y 70 Kg./cm2. porque la bomba de alta presión (2) presuriza el circuito cerrado dónde esta se encuentra a esta presión, pero el diferencial de presión a que trabaja es menor de 2 Kg./cm2, que corresponde a la pérdida de carga de la salmuera en la membrana.
Primero es necesario comprender el funcionamiento de la bomba de recirculacion (3) de la fig.1 que bombea un caudal que suele estar entre las 3/4 partes ó los 2/3 del caudal bruto que mueve la bomba auxiliar (1), dependiendo de la relación que se establezca entre el agua producto y agua de rechazo, comenzando a trabajar tomando el agua de la cámara (5') que pasa de ésta por el conducto (21') a través de la válvula de recirculacion (9') que está abierta y la impulsa a la entrada de la membrana por el conducto (19). El agua pasa por la membrana, sin presión para que se produzca la osmosis inversa, y saldrá por el retorno (20), pero tai como entró, sin llegar a ser salmuera, y pasará otra vez al mismo cilindro o cámara nodriza (5') a través de la válvula (10') que está abierta, por el lado opuesto al que salió, empujando al pistón (6') que empieza su carrera de derecha a izquierda, obligando a salir al agua por el conducto (21') hacia la válvula de recirculacion (9'), hasta la toma de entrada de la bomba de recirculacion (3), terminando de esta manera el ciclo en el circuito que por estar cerradas las válvulas de entrada, descarga, recirculacion y salmuera (9-10) y (7'-8'), es un circuito totalmente cerrado. Es obvio que el suministro de agua del cilindro ó cámara nodriza (5') a la membrana (4), acabará cuando el pistón (6') de la citada fig.1 llegue al final de su recorrido. El trabajo que está realizando la bomba de recircuiacion (3) es el de bombear un caudal de agua igual a la cantidad de agua rechazo que las membranas permitan y con una presión menor a los 2 Kg./cm2, que es la de rozamiento de la salmuera en un tubo de 6 metros con 6 membranas (en la actualidad). Comprendido el funcionamiento de la bomba de recirculacion (3) en circuito cerrado hasta ahora sin presión, para que se produzca permeabilidad en la membrana, se hará funcionar la bomba de alta presión (2).
Es necesario exponer un punto muy importante y novedoso, que aporta al sistema un rendimiento mas alto del que se ha obtenido en algunas pruebas realizadas sobre cámaras presurizadas, y que entre otros, por este inapreciable detalle, no han tenido los resultados esperados. El sistema se pone en marcha, cuando el pistón (6') empieza su carrera de derecha a izquierda empujado por el agua de la bomba de recirculacion (3), y la bomba de alta presión (2) suministrará el agua a la entrada de la membrana (4) por el conducto de entrada (19) conjuntamente con la aportada en este mismo punto por la bomba de recirculacion (3), o sea que "aportarán sus caudales en paralelo" a la membrana (4).
El caso es que puede parecer lo mismo si la bomba de alta presión (2) aporta su caudal a la entrada de la bomba de recirculacion (3) en el conducto (18'), quedando la bomba de alta presión (2) en serie con la bomba de recirculacion (3), pero la diferencia en estos dos circuitos es vital para el buen funcionamiento de éste, porque la bomba de alta presión (2), no tiene por que hacer pasar su caudal a través de la bomba de recirculacion (3) de baja presión, y a su vez la bomba de recirculacion (3) no tiene que verse obligada a que aparte de su caudal de trabajo, le entre sin necesidad un 50 % mas del volumen de agua que ella tiene que gestionar. La realidad es que las referencias que se tienen demuestran que todas estos intentos se han hecho erróneamente con las bombas en serie y no como se expone en el presente sistema, con "las bombas de alta presión (2) y de recirculacion (3) suministrando sus caudales en paralelo a la membrana (4)". Cuando la bomba de alta presión (2) empieza a funcionar todo el sistema queda presurizado con su alta presión, que es la presión de trabajo de la membrana (4), de tal manera, que todo el caudal que ésta aporta en el conducto (19) sale íntegramente por el conducto (14), en forma de producto, o sea, el 100 % del agua, siendo la energía de la bomba (2) de alta presión utilizada para atravesar la membrana (4). Como por otro lado la bomba de recirculacion (3) está aportando un caudal que es dos a tres veces el de la bomba de alta presión (2), toda esta agua al salir por el conducto de rechazo (20), arrastrará por las sales minerales que ha dejado atrás el agua producto.
La aportación de agua de la bomba de recirculacion (3) a la membrana (4) durará lo que el pistón (6') tarde en desplazarse en su recorrido de derecha a izquierda en el cilindro ó cámara nodriza (5'). Su posición de inicio es detectada porque éste lleva un imán (35) de la fig.5 que excita al primero de la derecha de la hilera de sensores o interruptores de ampolla red (11-11') fig.1 , dato que será registrado por un procesador o autómata (12). Antes de que el pistón (6') finalice su recorrido y en el punto que interese, se programará ai autómata para que al excitarse el sensor correspondiente a esa posición del pistón (6') haga ios cambios de válvulas siguientes: las válvulas de entrada (7) y descarga (8) se cierran, porque al estar desde el comienzo del funcionamiento abiertas, el pistón (6) correspondiente a la cámara o cilindro (5) se ha desplazado de izquierda a derecha, con gran rapidez, encontrándose en este momento a la derecha de la cámara (5) de la fig.2. Estando las válvulas exteriores de entrada y de descarga (7-8-7'-8') todas cerradas, se procede a abrir las válvulas de recirculacion y salmuera (9) y (10), quedando el sistema presurizado con ambas cámaras (5) y (5') como indica la fig.2.
Este es un estado intermedio de transición para hacer el cambio de cámaras o cilindros sin que la membrana (4) sufra fluctuaciones de presión que supondría su deterioro inmediato.
En este momento ambos pistones (6) y (6') avanzan en el mismo sentido de derecha a izquierda fig. 2, pero el pistón (6) está empezando su recorrido, mientras que el pistón (6') lo está terminando, y cuando esto ocurra, este pistón se parará, cerrando como medida de seguridad su válvula (36)-(37) como indica la fig.7 y a su vez se excitará el ultimo sensor de la hilera (11') y este será el momento para que esta señal de la orden al autómata para que cierren primero las válvulas de recirculacion y salmuera (9') y (10') y segundos después de esta operación, para que el sistema no se despresurice, se abren las válvulas de entrada (7') y de descarga (8') entrando el agua de la bomba auxiliar (1) por el conducto (16) que arrastrará el pistón de izquierda a derecha con gran rapidez, llenándose de agua nueva y desalojando a la vez la salmuera que está a la derecha del pistón (6') por la válvula de descarga (8') hacia el conducto (15'), prácticamente sin trabajo de la bomba auxiliar (1) por encontrarse la entrada (13) y la salida (15) al mismo nivel, de manera que el pistón (6') no ofrece ninguna resistencia al avance, por su especial diseño que se explicará mas adelante, quedando el sistema como indica la fig.3, iniciándose un nuevo ciclo como se describió para la fig.1 , pero ahora están las cámaras alternadas.
Una gran novedad del sistema estriba en el pistón, que tiene un diseño muy especial, con tres grandes ventajas. La primera es que no tiene juntas de estanqueidad y además no roza con las paredes del cilindro, no habiendo por lo tanto resistencia al avance ni desgastes ni mantenimiento, incluso tiene bastante holgura, la suficiente, como para que al avanzar el pistón vaya inmerso en el seno del agua, que lo mantiene separado del cilindro, sin rozar, y sin la necesidad de que el cilindro esté rectificado en su interior, como seria lo lógico y habitual. Esto se consigue haciendo un pistón con una densidad aproximadamente igual a la del agua salada o salmuera, quedando éste, por lo tanto, suspendido en el seno del agua como si "levitara", sin ninguna tendencia a flotar o irse al fondo, ni siquiera a quedarse atrás o adelantarse en la corriente de agua que le arrastra como si de moléculas de agua se tratara, por tener la misma densidad e inercia que éstas. A primera vista podría parecer que habría fugas importantes, porque se está habituado a pensar que cilindro y pistón son palabras inherentes a ajuste y precisión.
Los pistones que tienen siempre que hacer un esfuerzo, se ven frenados por una reacción del vastago o mecanismo, y si no hay un buen ajuste habrá fugas de fluido, con la consiguiente pérdida de presión. En el presente caso no es la presión estática la que mueve el pistón, sino que simplemente lo arrastra la corriente, en mejores condiciones que una barca es arrastrada por el agua de un río, porque ésta se vería ligeramente frenada por el aire. Con este pistón se consigue un gran avance, al poder usar cilindros de casi cualquier material que cumpla los requisitos en cuanto a presión y corrosión, por ejemplo tubería de plástico de gran diámetro, dentro de una estructura de hormigón armado, hormigón revestido interiormente de composite, etc. pudiendo a la vez quedar este conjunto como obra muerta en la base de la nave. Los pistones pueden tener muy diversas formas, pero pueden ser macizos o huecos, abiertos o cerrados, lastrados o no y los materiales pueden ser todo lo diverso que se quiera, e incluso de varios materiales, la condición es que esté estabilizado en el seno del agua.
Las fig. 8, 9, 10 y 11 dan una idea de las formas que puede adoptar y su equilibrio en el seno del agua. El pistón (39) de las fig.8 y fig.9. es un cuerpo carenado y cerrado, mientras las fig.10 y fig.11 muestran una forma abierta por donde entra el agua. También se pueden observar los detalles del imán que, en las fig.8 y fig.10 es un anillo imantado (42) y (46), mientras que en las fig.9 y fig.11 aparece un pequeño imán (43) y (48) y, a su vez, un lastre (44) y (47) por si se deseara posicionar al imán en una forma determinada.
La segunda gran novedad en el pistón, es que tiene incorporado uno o mas imanes que harán detectar su posición, colocando en el exterior y a lo largo de la cámara unos simples detectores magnéticos del tipo ampollas red. Es conveniente usar interruptores magnéticos red, por ser éstos extremadamente baratos y extremadamente fiables, pudiéndose además poner, para garantizar el contacto, en un solo sensor, mas de una ampolla en paralelo, aunque también se pueden usar detectores del tipo inductivo, capacitivos, detectores de salinidad etc. Las cámaras podrán ser de composite, acero inoxidable o cualquier material que no se interponga entre el flujo magnético, electrónico, o fotónico etc. del sistema de detección que se emplee. También se pueden usar sistemas que detecten el posicionamiento, como reglas magnéticas que cuenten pasos con cabezas lectoras arrastradas también por campos magnéticos en el pistón, etc. La detección del posicionamiento de cada pistón no solo proporciona el dato del volumen de agua existente en cada momento, también proporciona si la bomba de circulación ha fallado o si algún pistón se ha parado y programar un paro de emergencia, por ejemplo.
La tercera característica del pistón es que en cada lado de éste, es decir en el centro de las bases del cilindro que lo configuran, estarían dispuestas las tapas de sendas válvulas, cuyos respectivos asientos estarían al final del recorrido, en los extremos de la cámara nodriza, tanto en uno como en otro lado de ésta. Estas válvulas servirían como elementos de seguridad en caso de fallo de alguna de las válvulas de control del sistema, para que la salmuera no pase a la membrana. En las fig.5, 6, y 7 se ve un detalle del sistema de posicionado, y el detalle de la válvula de final de carrera dividida en la tapa (36) móvil, que pertenece al pistón (6), y el asiento estático (37) que pertenece al cilindro o cámara (5).
En la fig.5 se puede observar que el pistón (6) avanza de derecha a izquierda en el cilindro o cámara nodriza (5), y que el campo magnético del imán (35) esta excitando al detector (34).
En la siguiente fig.6 sigue avanzando, quedando en este momento entre los sensores (33) y (34).
Finalmente en la fig.7 muestra como el pistón (6) ha llegado al final de su recorrido excitando al ultimo sensor (34) y a su vez como se ha cerrado la válvula (36- 37). Una característica mas al aplicar este tipo de pistón es poder conectar cámaras en paralelo, sobre la base de lo que a continuación se expone:
Existe un inconveniente cuando el volumen de las cámaras nodrizas es pequeño, pues el cambio de una a la otra se tendría que hacer con demasiada frecuencia, obligando a las válvulas de control a un excesivo trabajo que acortaría la vida de éstas. Por otra parte las cámaras no se pueden dimensionar muy grandes, por razones de espacio, y una solución es montar varias cámaras de menor tamaño en paralelo que funcionen como una sola cámara, pero no se sabría cuál de ellas se ha llenado o vaciado de salmuera porque siempre una se llena o vacía mas deprisa que la otra; esto sucede en hidráulica incluso en cilindros con pistones puestos en paralelo, que por pequeños diferenciales de rozamiento o caudal, éstos se desplazan de forma aleatoria. Con el sistema de detección de posicionamiento que forma parte de la invención, no preocupa en absoluto que un pistón haya concluido su carrera y otro esté empezando o vaya por la mitad, porque se sabrá en cualquier momento la cantidad de agua que nos queda en las cámaras nodrizas, ya que el autómata se encargará de recoger los pasos que avanzan cada uno y hará el cambio de cámaras cuando se lo soliciten.
En la fig.4 se ve un detalle del sistema funcionado con las cámaras en paralelo, y se puede observar que el grupo "A" de cilindros o cámaras (5), (25) y (26) tienen a sus respectivos pistones (6), (29) y (30) avanzando de derecha a izquierda de forma aleatoria, siendo sus velocidades desiguales.
En la parte baja de la figura se puede observar al grupo "B" de cilindros o cámaras (5'), (25') y (26') llenos de agua nueva, con sus pistones (6'), (29') y (30') al principio de su carrera, en espera de que las válvulas de recirculacion y salmuera (9') y (10') se abran para quedar el sistema en posición de transición, donde como en la fig.2 trabajan a la vez las dos cámaras, que en este caso de la fig.4 se hace referencia a los dos grupos de cámaras o cilindros "A" y "B".
Evidentemente, de la descripción realizada se deduce que una de las ventajas más importantes del sistema es que el pistón divide de forma pasiva al medio en que se halla, de manera que al complementarse con el medio de posicionamiento referido, se puede conocer con bastante exactitud donde está la línea que divide el agua a desalar de la salmuera, sin diferencia de presión en ambas caras del pistón, desplazándose éste con la corriente como si se tratara de un grupo de moléculas de agua estructuradas entre si.
Como consecuencia de ello, no se necesita ajuste ni existen rozamientos, por lo que se pueden utilizar materiales de bajo costo, como PVC, exentos de mantenimiento. Incluso el cilindro no requerirá que sea de sección circular perfecta. Podría ser algo elíptica.
Respecto a las mejoras y como se puede ver en las figuras 12, 13, 14 Y 15, el sistema comprende, al igual que se ha descrito anteriormente, una pareja de cámaras nodrizas (5 y 5') provistas de sendos pistones (6 y 6') que sirven de tabique divisor entre el agua a desalar y la salmuera. Dichos pistones, están dotados de un campo magnético en su línea central perimetral, producido por un imán interior que es capaz de excitar a sendas hileras de detectores (11 y 11') colocados a lo largo de las cámaras (5 y 5'), tomando éstas el agua a desalar a partir del suministro proporcionado por una primera bomba de baja presión (1), a través de las válvulas de entrada (7-7'). La salida se realiza a través de las válvulas de descarga (8-8'), previstas en los conductos (15 y 15'), estando conectada la respectiva membrana de osmosis (4) a las cámaras (5 y 5') a través de los conductos (21-21') y (22-22') en los que están intercaladas las válvulas de recirculacion y salmuera (9-9') y (10-10'). El agua a desalinizar, procedente a través del conducto (13) alcanza la bomba auxiliar (1) y ésta, a través de los conductos (16-16'), puede impulsar el agua hacia las válvulas de entrada (7-7'), pudiendo también impulsar agua a través del conducto (17), hacia la bomba de alta presión (2) que mediante el conducto en paralelo (18) introduce agua al conducto común ( 19) de entrada a la membrana de osmosis (4). Con anterioridad al conducto (19) de entrada se ha previsto la bomba de recirculacion (3) dispuesta en el conducto (18') en el que concurren los conductos de las válvulas de recirculacion (9-9'). La membrana de osmosis (4) tiene una salida (14) al exterior.
Pues bien, como se ve en las figuras 12, 13, 14 Y 15 el funcionamiento del sistema, de acuerdo con esas características convencionales, presenta las siguientes particularidades: En la figura 12, se puede observar que en la cámara (5) se está renovando el agua, esto es, que se está desalojando la salmuera, mientras se llena de agua a desalar. La bomba auxiliar (1) suministra el agua a la cámara (5) a través de la válvula de entrada (7), que está abierta. Las válvulas de recirculacion y salmuera (9) y (10) permanecen cerradas en esta operación. Al entrar el agua de suministro a esta cámara (5) el pistón (6) es arrastrado hacia la derecha del dibujo (fig. 1) expulsando la salmuera ai exterior por el conducto (15) a través de la válvula de descarga (8), que también está abierta.
En la fig. 13 se puede ver el siguiente movimiento del pistón (6) de derecha a izquierda, cuando se suministra el agua de la cámara (5) a la membrana (4) a través de la válvula de recirculacion (9) y recoge al mismo tiempo la salmuera, por el lado derecho a través de la válvula de salmuera (10) ya que las válvulas de recirculacion y salmuera (9 y 10) están abiertas.
Hay un momento en la fig. 12, cuando el pistón (6) finaliza su carrera de izquierda a derecha, que las válvulas de entrada (7 y 8) se cierran y como las válvulas de recirculacion y salmuera (9 y 10) están todavía cerradas, aparece una situación intermedia entre la fig. 12. y la fig. 13, como se puede observar en la nueva fig. 15. En este momento representado en esta figura 4, la cámara (5) está totalmente cerrada y sin ninguna presión, o sea, a presión atmosférica, y el pistón (6') de la otra cámara (5') todavía no le ha dado la señal al autómata (12) para que se abran las válvulas de recirculacion y salmuera (9 y 10).
Cuando se abren las válvulas de recirculacion y salmuera (9 y 10) la cámara (5) se presuriza a la presión de la bomba de alta presión (2), pero debido a cierta elasticidad de los materiales con los que están construidas las cámaras, conductos y tubos de las membranas, aparece un pequeño e instantáneo descenso de la presión. Estas fluctuaciones de presión, al entrar a funcionar una cámara no son buenas para la vida de las membranas y por eso se debe compensar previamente la presión de la cámara (5) antes de abrir las válvulas de recirculacion y salmuera (9 y 10). Dicha compensación se consigue mediante una de las mejoras de la invención, denominándose la compensación en cuestión "presurizacion previa". En las figuras 16, 17 Y 18 se representan otras tantas alternativas de realización para conseguirlo. Así, una forma de conseguir la presurizacion previa sería que las válvulas de recirculacion y salmuera (9) y (10) ó (9') y (10') de la figura 14, estuvieran diseñadas de tal manera que al empezar su apertura, ésta fuera muy pequeña con el fin de aportar una insignificante cantidad de agua a la cámara
(5), hasta que alcance lentamente la presión de la bomba de alta presión (2). Como se ha dicho las válvulas de recircuiacion y salmuera (9-9') y (10 y 10') tendrían un diseño muy especial ya que al empezar a abrirse lo no harían como una válvula convencional sino que dejaría fugar una minúscula parte del caudal que es capaz de dar. Cuando se dice minúsculo caudal nos referimos a una cantidad lo suficientemente pequeña como para que no se aprecie en la lectura de la presión del manómetro de la bomba principal. Después de equilibradas las presiones de la bomba de alta presión (2) y membrana (4), con la cámara (5), las válvulas de recirculacion y salmuera (9) y (10) podrán seguir abriendo de forma normal a su caudal máximo.
Otra forma de conseguir la "presurizacion previa", es como se muestra en la figura (5), instalando unas pequeñas válvulas (23-23') de muy pequeño caudal con sus respectivos conductos entre el conducto (18) de la bomba de alta presión (2) y los conductos (21- 21') de las cámaras (6- 6') respectivamente, y que se abrirán inmediatamente después de que las válvulas de entrada y descarga(7-8) y (7'-8') se hayan cerrado dejando a las cámaras (5 y 5') cerradas y a presión atmosférica. La sección de estas pequeñas válvulas, tiene que ser muy pequeña para que la estabilización de las presiones sea tan lenta que el caudal de la bomba de alta presión (2) no se ve prácticamente disminuido. En la figura 17 se puede observar otra variante de la "presurizacion previa", esta vez utilizando un acumulador (65) como los de vejiga de nitrógeno, de pistón u otro sistema similar, que almacenará una cantidad de agua que toma por el conducto (24) de la bomba de alta presión (2) y que verterá en las cámaras a través de las válvulas (23) y (23'), en el momento adecuado. Otra solución para resolver la "presurizacion previa", es la que se muestra en la fig. 18, donde una pequeña bomba auxiliar de presurizacion (66) aporta el caudal necesario para presurizar las cámaras (6-6') a la presión de la bomba de alta presión (2) a través de las pequeñas válvulas (23) y (23').
Combinando las dos últimas soluciones, se puede inclusive reducir mucho la potencia de la pequeña bomba auxiliar.
Como se ve, las soluciones pueden ser muy variadas, pero siempre según el concepto de que hay que hacer la "presurizacion previa". Otra de las mejoras consiste en que la bomba de alta presión (2) de alta presión y la bomba de recirculacion (3) que gestiona el agua de las cámaras nodrizas (5 y 5') que arrastra la salmuera de rechazo, van montadas en paralelo; es decir, que los caudales de las mismas concurren de forma paralela sobre el conducto (19) de entrada
5 a la membrana de osmosis (4).
Otra mejora de la invención consiste en sustituir la bomba de recirculacion (3), que hace circular el agua de las cámaras (5 y 5') a la membrana (4), y la salmuera de rechazo de ésta otra vez a las referidas cámaras (5 y 5'), por otros medios que realicen dicha función con más sencillez, pudiendo ser varias las formas de eliminar tal bomba de i o recirculacion (3) y ser sustituida por otros medios.
Una de las formas es la representada en las figuras 19, 20 Y 24, en donde se puede ver que en lugar de la referida bomba de recirculacion (3) se ha intercalado una tobera (27) a la salida de la bomba de alta presión (2). El fenómeno que se origina es bien conocido y se representa en la figura 19, ya que se trata de una aplicación directa
15 del Teorema de Bernuilli o efecto Venturi.
El agua a presión, entra por el tubo venturi (50) que se estrecha a la salida, aumentando la velocidad del fluido y por lo tanto disminuyendo la presión del chorro de salida; esto hace aspirar el agua que se encuentra a mayor presión por el lado izquierdo del tubo de arrastre del venturi (51) y ayudado a la vez por la energía cinética del chorro
20 de la tobera, es proyectado el caudal total, por la salida del tubo de arrastre del venturi (51) a la derecha del dibujo En la fig. 20 se ve este sistema aplicado a un circuito cerrado, constituido por varios ramales de tubos (51)-(52)-(51')-(52') y una salida (60) con una estrangulación (60') para aumentar la presión del circuito. Este circuito en anillo de la fig. 20 es el mismo que el reseñado en la fig. 24, aunque aquí para mayor
25 comprensión se representa sin la membrana (4) y sin la cámara o cilindro (5'). Aplicando el Teorema de Bernuilli vemos que la bomba de alta presión (2) de la fig. 9 bombea el agua con una energía E=EP+E0+ Eg, donde E es la energía total suministrada por la bomba. Como el sistema trabaja en circuito cerrado Eg=0, y nos queda E=EP+ E0. La mayor parte de esta energía se necesita para atravesar la membrana, y se necesita una
30 presión "p" alta, el factor "p" corresponde a la expresión Ep=pN, luego E0 14. m. v2 y es muy pequeña, pero si se hace crecer a "v" disminuyendo la sección de salida de la bomba por medio de la tobera (27), E0 crecerá a expensas de Ep porque "p" disminuye y "v" aumenta, de tal manera que si se hace crecer mucho a "v " no habría mucho aumento de presión y saldría poca agua por (60), pero sí habrá una gran energía
35 cinética Ec=1A m. v2 que se iría en hacer recircular el agua en circuito cerrado en sentido (51)-(52)- (51')-(52')-(51). De esta manera, la bomba( 2) hará también el trabajo de la bomba de recirculacion (3), de hacer circular la salmuera por lo que se tendrá que aumentar la potencia de la bomba de alta presión (2). Es obvio que la energía consumida, en teoría es la misma, pero se simplifica mucho el sistema.
El diseño de la tobera puede ser de formas muy variadas, ya que puede ser simple o compuesta por varias boquillas a la vez, y estas pueden laminar el fluido de diversas maneras, como puede ser en forma de chorro cilindrico, plano, en forma de láminas, etc.
Otra manera de eliminar la bomba de recirculacion (3) es poner, en lugar de la tobera, una turbina (28) que funcione con el suministro del agua de la bomba, como se puede ver en la fig. 21 y que su eje (70) mueva la bomba auxiliar alternativa (79). Como en el caso anterior, el agua de la bomba de alta presión (2) entra por el tubo venturi (50) haciendo girar a la turbina (28) que está solidaria a la bomba auxiliar alternativa o hélice (79) por el eje de turbina (70) que gira apoyado en sus cojinetes (71-71') aspirando e impulsando el agua del tubo de arrastre del venturi (51). En la fig. 23, se puede observar que la hélice (29) se encargaría de gestionar el caudal que recircula en circuito cerrado y que todo el caudal de la bomba de alta presión (2) saldría por la salida (60). En este ejemplo de las fig. 21 , 22 Y 23, se ha puesto una turbohélice de tipo helicoidal, pero se puede poner cualquier tipo de turbo-bomba, lo normal en la actualidad sería la clásica turbo-bomba de tipo centrífugo o BOOSTER como se puede ver en la figura 25. Otra mejora consiste en la forma de detección del posicionamiento de los pistones (6 y 6'), así como en las características de éstos.
La detección de la posición del pistón se puede lograr también mediante ultrasonidos, o con otro tipo de energía radiante, como pueden ser las ondas electromagnéticas, empleando las gamas de frecuencias más adecuadas. Los sistemas que se basan en el eco de una radiación o también, los basados en el efecto Doppler son sistemas muy usados para medir distancias o velocidades. También los láseres son haces coherentes muy empleados en navegación y balística con resultados muy precisos. Gracias a la transparencia óptica del agua los sistemas telemétricos de convergencia de haces luminosos o de autofocus con fotoreceptores, pueden ser empleados para este propósito. Por supuesto que la colocación de los sensores, sería de forma adecuada al sistema de detección que se emplee, si por ejemplo, se usan detectores fotoeléctricos, se harían perforaciones a todo lo largo de la generatriz del cilindro, si empleamos un sistema de "eco" o "Doppler" se podrían colocar los emisores y receptores de la señal en las tapas o bases de los cilindros o cámaras, como se ilustra en la fig. 26, donde se observa un transductor (49) de ultrasonidos, colocado de tal manera que dirige una señal ultrasónica, que al rebotar en el pistón (6) que se mueve dentro del cilindro (36), es recogido por el sensor receptor (49') Queda bien claro que lo importante es la idea de saber la posición del pistón en cualquier momento, lo que daría los datos sobre volúmenes y caudales, pero no el sistema a emplear, que puede ser tan variado como se quiera.
El material con que se debe construir el pistón, no precisamente tiene que ser de densidad igual a la de la salmuera o agua de mar, puede ser de cualquier material que resista las condiciones de trabajo, puede ser metálico, por ejemplo, y llevar flotadores construidos con materiales adecuados, lo que se pretende es que al final el conjunto quede levitando en el seno del agua, inclusive como por un lado el pistón tiene salmuera y por el otro agua a desalar, se puede diseñar con diferente flotabilidad, por un lado y por el otro dependiendo de las densidades de las aguas a uno y otro lado del pistón. Cumpliendo la condición de tener una flotabilidad igual a "cero", la forma del pistón puede ser tan variada como se quiera. El pistón ya va guiado dentro del cilindro, pero si se quiere, para pistones de grandes dimensiones, se pueden colocar guías o carriles dentro del cilindro, donde se deslizará sin peso, por medio de patines o ruedas.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, que comprendiendo una pareja de cámaras nodrizas (5 -5') que se presurizan alternativamente mediante una membrana de osmosis (4), en comunicación simultánea tanto con la entrada como con la salida de aquellas, previéndose válvulas de entrada (7-7') en los conductos de entrada y de descarga (8-8') en los de salida de las cámaras nodrizas, así como en los de comunicación de éstas con la membrana de osmosis; incluyendo además una primera bomba auxiliar (1), de suministro del agua a desalinizar, así como una segunda bomba de alta presión (2) para bombear el agua a la membrana de osmosis, y una tercera bomba de recirculacion (3) de baja potencia para suministrar la energía que se precise para hacer circular la salmuera, se caracteriza porque en cada cámara nodriza (5-5') va dispuesto libremente un pistón (6-6') con facultad de desplazamiento axial en ambos sentidos, pistón que en cada momento divide a la cámara en dos compartimentos independientes; habiéndose previsto que dicho pistón tenga una configuración especial y esté constituido en un material de densidad aproximadamente igual a la del agua salada o salmuera, determinando que aquel quede en suspensión en la cámara, posibilitando que sus desplazamientos se realicen sin rozamientos, ni resistencias, ni desgastes; con la particularidad de que en uno de los compartimentos de la cámara se llena de agua a desalinizar y en el otro la salmuera, sin mezclarse entre sí.
2a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con la reivindicación 1a, caracterizada porque entre la superficie externa del pistón (6-6') desplazable axíalmente en ambos sentidos y la superficie interna de la cámara, se determina una amplia holgura que hace que dicho pistón se desplace inmerso en el seno del agua, evitando rozamientos y sin necesidad de ajustes entre partes.
3a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones 1a y 2a, caracterizada porque en la posición de cierre de las válvulas de descarga (8-8') previstas en los conductos externos de la entrada y salida de las cámaras nodrizas, y abiertas las válvulas de recírculacion (9-9') previstas en los conductos internos de comunicación de tales cámaras con la membrana de osmosis (4), se determina un estado intermedio con ambas cámaras presurizadas y trabajando a la vez, permitiendo el cambio de una cámara a la otra con suavidad y sin fluctuaciones de presión sobre la membrana de osmosis (4).
4a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada pistón incorpora uno o más imanes (35) que, en combinación con una serie de detectores magnéticos (33-34) del tipo ampollas reed dispuestas externamente a lo largo de la respectiva cámara (5-5'), permiten conocer en cada momento la posición del propio pistón en el interior de la cámara, así como el volumen de agua existente, e incluso fallos de funcionamiento de la bomba y/o de desplazamiento del pistón.
5a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los medios detectores de posicionamiento son susceptibles de ser de tipo inductivo o capacitativo, e incluso detectores de salinidad.
6a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las cámaras nodrizas (5-5') son susceptibles de estar constituidas en cualquier material adecuado, dependiendo del tipo de los medios detectores utilizados, pudiendo ser de material composite, acero inoxidable o cualquier otro entre el flujo magnético, electrónico, fónico o similar, correspondiente a los propios medios detectores.
7a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en los extremos o bases de cada pistón van montadas las tapas (36) correspondientes a sendas válvulas cuyos respectivos asientos (37) se encuentran, al final del recorrido de cada pistón, en los extremos de la cámara nodriza (5-5'), tanto en uno como en otro lado o compartimentos de ésta; constituyendo tales válvulas elementos de seguridad en caso de fallo de alguna de las válvulas de control del sistema, para impedir el paso de la salmuera a la membrana de osmosis. 8a. Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se ha previsto el montaje en paralelo de varias cámaras nodrizas, conectadas debidamente entre sí, en orden a conseguir un excesivo tamaño.
9a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que se incluyen medios para realizar una presurización previa de las cámaras nodrizas (5 y 5') antes de compensar las presiones de éstas mediante la membrana de osmosis (4); habiéndose previsto además que la bomba de alta presión (2) y la bomba de recirculacion (3) que gestiona el agua de las cámaras nodrizas (5 y 5') para arrastre de la salmuera de rechazo, vayan montadas en conductos paralelos (18 y 18'), juntándose sus caudales a la entrada de la membrana de osmosis (4). 10a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con la reivindicación 9a, caracterizada porque los medios de presurización previa de las cámaras nodrizas (5 y 5') los constituyen las propias válvulas de recirculacion (9-9') y de salmuera (10-10'), las cuales están diseñadas para permitir el paso inicial de un caudal mínimo hasta conseguir el equilibrio de las presiones de la bomba de alta presión (2) y de la membrana de osmosis (4).
11a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con la reivindicación 9a, caracterizada porque los medios de presurización previa, están constituidos mediante una pareja de pequeñas válvulas (23 y 23') de bajo caudal, intercaladas entre el conducto (18) de la bomba de alta presión (2) y las entradas (21-21') a las cámaras, respectivamente, cuyas válvulas (23 y 23') se abren inmediatamente después que se hayan cerrado las válvulas de entrada y descarga (7- 8) y (7'-8'), dejando a las cámaras (5 y 5') a la presión atmosférica.
12a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con la reivindicación 9a, caracterizada porque los medios de presurización previa, están constituidos a partir de un acumulador (25) conectado al conducto (18) de la bomba de alta presión (2), y a los conductos (21 y 21') de entrada de las cámaras nodrizas, incorporando en los conductos de conexión a éstos últimos sendas pequeñas válvulas (23 y 23') de bajo caudal, a través de las cuales es descargado un mínimo caudal almacenado en el acumulador (25), previamente tomado por el conducto (24) del conducto (18) de la bomba de alta presión (2), sobre las cámaras nodrizas (5 y 5').
13a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con la reivindicación 9a, caracterizadas porque los medios de presurización previa, están constituidos a partir de una bomba auxiliar (26) conectada entre los conductos (21 y 21') de entrada a las cámaras nodrizas (5 y 5'), yendo intercaladas en los conductos de conexión sendas pequeñas válvulas (23 y 23') de bajo caudal, a través de las cuales la bomba auxiliar (26) envía el respectivo caudal a las cámaras nodrizas (5 y 5').
14a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque a la salida de la bomba de alta presión (2), en sustitución de la bomba de recirculacion (3), se ha previsto la incorporación de una tobera (27), una turbina (28) o cualquier otro medio apropiado capaz de gestionar un caudal que circula en circuito cerrado para conseguir que todo el caudal proporcionado por la bomba de alta presión (2) salga por el conducto (20) previsto a la salida de la membrana de osmosis.
15a.- Desaladora de agua mediante osmosis inversa por cámaras presurizadas con pistón en suspensión y sistema de detección del posicionamiento de éste, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los pistones (6 y 6') están constituidos en cualquier tipo de material, pudiendo ser huecos, macizos con medios de flotación, y tener cualquier configuración siempre que los mismos "leviten" en el seno del agua de las cámaras nodrizas (5 y 5') en las que están situados dichos pistones; habiéndose previsto además que los medios de detección del posicionamiento de los mismos puedan estar basados en sistemas ultrasonidos apropiados, o cualquier otro tipo de energía radiante , incluidos los láseres, detectores fotoeléctricos, para permitir en cualquier caso conocer la posición del respectivo pistón.
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