BRPI0709878A2 - Sistema e método para dessalinizar água do mar - Google Patents

Abstract

<B>SISTEMA E MÉTODO PARA DESSALINIZAR ÁGUA DO MAR<D> A invenção se refere a um método e um sistema de dessalinização que utiliza tecnologia de cristalização no gelo que incorpora o uso de energia de ar comprimido como fonte de temperaturas de congelamento. Quando o ar comprimido é lançado por um turbo-expansor, o ar resfriado é produzido como um sub-produto, aonde o ar resfriado é introduzido em uma câmara de cristalização. Uma nuvem de 'spray' de gotas de água do mar também é injetada dentro da câmara, que foi pré-resfriada pela troca de calor com as paredes frias da câmara, e que então é circulada e exposta ao ar resfriado dentro da câmara. Os tamanhos das gotas podem variar, mas são preferencialmente predeterminados, juntamente com as temperaturas relativas, fluxos e velocidades do 'spray' e do ar resfriado, de forma que quando as gotas são circuladas por dentro do ar resfriado, e assentadas no fundo da câmara, elas são depositadas à umatemperatura levemente acima da temperatura eutética. Deste modo, a massa de gelo/neve que se forma no fundo da câmara vai consistir de cristais de gelo, e um resíduo de salmoura da água salgada, que pode ser escoada da massa, seja pelos lados, ou por meio de qualquer vazio ou canais que podem se formar por dentro da massa.

Description

SISTEMA E MÉTODO PARA DESSALINIZAR ÁGUA DO MAR

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a sistemas dedessalinização e, em particular, a um sistema que utilizaenergia de ar comprimido, que pode ser liberado e expandidopara, simultaneamente, gerar ar refrigerado que, por suavez, pode ser usado para congelar água e produzir água docepotável.

Antecedentes da Invenção

Nos Estados Unidos, onde há diversas zonas climáticas eabundância de chuva em diversas áreas, é comum haver umsuprimento adequado de água doce potável na maioria dasregiões. Mesmo nas áreas em que o suprimento de água éescasso, há um esforço para transportar a água dos locaisonde ela está disponível para aqueles onde ela é necessária.Atualmente, por exemplo, uma quantidade significativa deágua do Rio Colorado vem sendo transportada, através doAqueduto Califórnia, para as regiões densamente povoadas,porém secas, do sul da Califórnia, de modo que há águasuficiente não só para beber, mas também para agricultura eirrigação. Existem também outras formas de transporte esuprimento de água, como aqueles através de redes públicas edutos, a partir de lagos, reservatórios, rios, geleiras etc.No entanto, há diversas áreas geográficas em que não éconveniente ou possível levar a água para onde ela énecessária, em bases economicamente viáveis. Tais áreasincluem regiões distantes em montanhas, zonas ruraisafastadas e ilhas oceânicas, onde o custo de instalação decondutos e aquedutos longos para o transporte de água podeser proibitivo. Há também a necessidade de água potável emembarcações de longo curso, como os navios de cruzeiro, ostransatlânticos, os cargueiros, embarcações da Marinha etc.Existem ainda países como aqueles em que o clima é mais secoou a população muito maior do que a água doce potáveldisponível pode atender. Ironicamente, muitas dessas áreasestão localizadas próximo aos oceanos ou a outros corpos deágua salgada, onde esta é disponível, mas não há água docesuficiente para atender a demanda.

Assim, sistemas e métodos de dessalinização paraprodução de água doce potável a partir de água do mar foramdesenvolvidos no passado. A chave para qualquer sistema dedessanilização é a capacidade de separar contaminantes,incluindo sal e outras impurezas, da água que, por sua vezpode ser tornada doce e potável.

Para simplificar, daqui em diante a expressão "água domar" será usada para se referir a qualquer água contaminadaque precise ser purificada, seja ela realmente água retiradado mar ou água salobra, ou água de qualquer outra fonte.Pelo menos três tipos distintos de sistemas dedessalinização são usados atualmente, cada um deles comgraus variáveis de sucesso. Estes tipos serão discutidos a seguir.

Método Térmico: utiliza calor, ou outro meio, paraconverter a água do mar em vapor d'água, como, por exemplo,por ebulição, deixando os contaminantes na água residual. Umexemplo' de método térmico comum é a chamada destilação, emque a água do mar é aquecida progressivamente, em vasossubseqüentes, sob pressão reduzida, para produzir vapord'água puro.

0 método térmico chamado de destilação flash demúltiplo estágio é o método de dessalinização mais usadoatualmente em todo o mundo. Ele envolve o aquecimento daágua do mar até temperatura elevada e sua passagem atravésde uma série de vasos, com pressões decrescentes, paraprodução de vapor d'água. A água aquecida passa para umvaso, chamado "estágio", no qual a pressão externa é menordo que a do aquecedor. A introdução repentina de soluto e deágua em um "estágio" de pressão mais baixa provoca umaebulição tão rápida da solução, que ela imediatamente setransforma em vapor (vapor d'água). Este, pela sua próprianatureza, consiste em água pura, livre dos solutos. Estaágua pode, então, ser condensada, recolhida e usada parabeber. Um processo semelhante, chamado de destilação demúltiplo efeito, utiliza os mesmos princípios da destilaçãoflash de múltiplo estágio, exceto pelo fato de utilizartemperaturas mais baixas. Em pressão mais baixa, atemperatura necessária para vaporizar determinada quantidadede água é menor. Há ainda outro método de destilação,chamado destilação por compressão de vapor, que é geralmenteutilizada em combinação com outros processos. Neste método,o aquecimento provém da compressão do vapor, ao invés de virde troca direta de calor.

Embora esses métodos sejam altamente eficientes eeficazes para remoção de contaminantes da água do mar, umade suas desvantagens mais significativas é o alto custo deoperação, incluindo-se aí o elevado custo da energianecessária para o aquecimento da água e/ou para redução dapressão, a fim de levá-la à ebulição. Devido a esses custos,tais métodos só são utilizados, em geral, quando não há águadoce disponível, ou quando ela não pode ser disponibilizadaa um custo mais baixo.

Processos de Membrana: um processo de membrana é aqueleque utiliza uma camada permeável, relativamente fina, de ummaterial que permita a passagem da água ou do sal atravésdele, permitindo a separação em duas porções comconcentrações distintas. De um lado da membrana obtém-seágua com contaminantes, e do outro, a água purificada.Um dos tipos mais comuns de processos de membranas é aosmose reversa. Este é um processo governado pela pressão,que força a água salgada através de uma membrana, deixando osal para trás. Apesar de a osmose reversa ter se mostradoeconômica em termos do consumo de energia, que érelativamente baixo, o processo necessita, geralmente, de uminvestimento mais alto do que a maioria dos métodos térmicospara sua implantação. Há também um custo relativamente altoassociado à substituição do material das membranas, quepossui vida útil limitada.

Outro processo de membrana comum é chamadoEletrodiálise, processo governado pela voltagem, que utilizaum potencial elétrico para mover, seletivamente, os saisatravés de uma membrana, deixando água doce. Este processotem algumas das mesmas desvantagens que a osmose reversa, noque toca ao capital necessário à implantação, que pode serproibitivo.

Cristalização por Congelamento: processo que se vale docongelamento e do diagrama de fases da água do mar paraproduzir água doce potável. Essencialmente, a água do mar ésubmetida a temperaturas baixas, como, por exemplo, por meiode um refrigerante, que provocam seu congelamento. Este éusado para auxiliar na formação de cristais de geloconstituídos de água pura em forma sólida, que podem assimser separados dos contaminantes salinos contidos na águaresidual. Este processo e seu potencial têm sidoinvestigados por sua maior eficiência, em comparação com aosmose reversa. Contudo, o processo de congelamento com afinalidade de dessalinização nunca foi implantado comsucesso em larga escala.

0 processo de cristalização por congelamento édiferente dos outros processos envolvendo, tipicamente, aformação de cristais de gelo a partir do congelamento daágua salgada, de modo que os cristais constituídos de águapura congelada podem ser separados da água original, salina.Durante o processo, quando os cristais de gelo puro seformam - pela exposição a temperaturas congelantes - elessobem para a parte superior de um tanque, por flutuação; aomesmo tempo, as impurezas afundam, devido à sua maiordensidade, separando-se. Desta forma, é possível separar aágua pura, congelada, das impurezas - como o sal e outrosminerais - e produzir água doce potável.

Além disso, a formação de cristais de gelo, em si, podeser alcançada por dois métodos distintos: 1) porresfriamento direto, e 2) por resfriamento indireto.

O resfriamento direto envolve o uso de um fluidorefrigerante inerte, que é injetado fisicamente na água domar, ou seja, borbulhado através dela. Isto faz com que aágua do mar se vaporize na temperatura desejada. Esteprocesso resulta do calor de vaporização do refrigeranteretirado da solução, fazendo com que a água do mar seresfrie até a temperatura eutética. Embora a mistura intimaentre o refrigerante e a água do mar torne este métodoeficiente, uma desvantagem importante do processo é o fatode que o refrigerante acaba intimamente misturado ao gelo.Ou seja, teoricamente o processo forma partículas distintasde água pura congelada, mas neste método de resfriamento umpouco do refrigerante, presente ao longo do equipamento,acaba sendo aprisionado nas partículas de gelo. Sendo assim,não se consegue produzir água doce potável pura, livre dorefrigerante. Em conseqüência, o método de resfriamentodireto não é usado para produção de água doce potável.

Um processo mais comum de dessalinização porcongelamento é chamado resfriamento indireto. Nesteprocesso, o refrigerante não é injetado diretamente na águado mar, mas sim introduzido em uma série de tubos ou camisasde arrefecimento, que passam através da água. Tipicamente,esses tubos e camisas de arrefecimento são feitos de ummaterial com boa capacidade de condução de calor, como oalumínio, e ajudam a manter o refrigerante e a águaseparados durante o processo. De preferência, o refrigerantepassa somente pelo interior dos tubos e camisas dearrefecimento; já a água do mar, é exposta apenas aoexterior deles, e não ao próprio refrigerante. Desta forma,a água do mar é resfriada pelo contato direto com os tubos ecamisas de arrefecimento, e não diretamente com orefrigerante. Isto evita os problemas associados ao métodode resfriamento direto, apesar de a utilização de tubos ecamisas de arrefecimento introduzir um nivel adicional deresistência à transferência de calor da água aorefrigerante, o que torna o método menos eficiente.

Uma vez resfriados os tubos e camisas de arrefecimento,e passada a água do mar por eles, cristais de gelo sãoformados na face exterior. Torna-se necessário, então,retirar, fisicamente, o gelo da superfície utilizando-se,por exemplo, uma raspadeira. Uma vez removidos, os cristaisde gelo, menos densos, tendem a flutuar rumo à superfície dasolução salina, mais densa, e podem ser removidos, lavadospara retirada de impurezas e, em seguida, seremdescongelados para fornecer água potável purificada. Asolução salina pode, então, ser descartada.

A área total da superfície de contato necessária para ocongelamento indireto e o coeficiente de transferência decalor são os parâmetros-chave deste processo. Estesparâmetros estão relacionados à eficiência do refrigeranteem resfriar e congelar a solução de água do mar em torno dostubos ou camisas de arrefecimento que o contêm.Um exemplo de método indireto usado atualmente échamado um Cristalizador de Superfície Raspada, que consisteem um cilindro resfriado (evaporador) com um arranjo defacas ou raspadeiras que raspam os cristais de gelo dasuperfície resfriada. As raspadeiras se movem sobre asuperfície, ou esta se move em contato com as raspadeiras,de modo a permitir que o gelo seja raspado e removido. Emambos os casos, a fim de evitar fricção e dano àssuperfícies, o sistema é planejado de modo que há uma folgaentre elas, o que acaba deixando uma camada de gelo residualsobre a superfície de resfriamento. Esta camada torna todo osistema ineficiente quanto à sua capacidade de transferircalor para fora da superfície de resfriamento permitindo quemais gelo se forme sobre ela, além de causar um decréscimoacentuado no fluxo de calor através do cilindro e uma perdaem sua capacidade. Também há a força de adesão entre araspadeira e a superfície de resfriamento, que requer umgasto de energia para ser superada, ou seja, é necessáriauma energia extra para raspar o gelo e removê-loeficientemente. Esta energia precisa ser fornecidaconstantemente, por um longo período de tempo.

Também tem havido pesquisas envolvendo congelamento deáguas residuais, para determinar como os cristais de gelo seformam em uma gota. Em uma pesquisa conduzida pela Dra. WaGao - discutida em sua tese, intitulada "CongelamentoParcial por Pulverização como Tratamento Alternativo paraRejeitos Industriais Selecionados" (em inglês, "PartialFreezing by Spraying as a Treatment Alternative of SelectedIndustrial Wastes") -, foi estudado o efeito dastemperaturas de congelamento em uma gota de água residual.Neste estudo, uma gota isolada (em temperatura em torno de-5 °C, menor do que o ponto de congelamento da água pura)foi exposta a uma corrente ascendente de ar em temperaturade sub-congelamento, isto é, entre -5,5 °C e -17,7 °C, em umtúnel de vento vertical com ar refrigerado. 0 teste foirepetido com gotas de mesmo tamanho e nas mesmas condiçõespara obter informações estatísticas. A Dra. Gao observou queo congelamento das gotas começava na borda inferior e, em0,23 segundo cobria toda a superfície externa das gotas. Aágua no interior da gota congelava à medida que a camada degelo ficava mais espessa. A gota inteira, com 2.800 micra,congelou completamente em um tempo médio de 7 segundos. Nototal dos experimentos, o congelamento se completou em 20segundos. A porção gelada sólida da gota era formada porágua pura, enquanto a solução salina líquida remanescente,ao redor, consistia de água residual concentrada. As esferasde gelo se fragmentaram durante o processo de congelamento àmedida que o líquido salino interior foi empurrado para foradevido ao estresse interno sobre o gelo, na proporção em queeste pressionava o líquido incompressível. Em outrapesquisa, águas residuais foram pulverizadas ao ar livre, emcondições atmosféricas do inverno ártico, a fim de produzirum grande amontoado de partículas de gelo diretamente sobreo chão. Embora o congelamento inicial ocorresse enquanto asgotículas ainda estavam no ar, elas acabavam de congelar e aseparação ocorria depois de elas terem atingido o solo. 0monticulo formado foi descongelado durante a primavera eutilizado para irrigação.

Devido aos inconvenientes dos métodos e sistemas dedessalinização existentes, e discutidos acima, há umanecessidade por um método de dessalinização com altaeficiência e custo-beneficio que permita a obtenção de águadoce potável a partir de água do mar.

Resumo da Invenção

A presente invenção se refere ao uso de energia de arcomprimido em conjunto com um sistema de dessalinização, emque a energia do vento, ou de qualquer outra fonte, pode serutilizada para produzir ar comprimido; e em que, quando estear é liberado e expandido - por exemplo, pelo uso de umturbo-expansor - ele produz, como sub-produto, ar altamenterefrigerado que, por sua vez, pode ser usado para congelar edessalinizar a água do mar. Ou seja, ao invés de usar umrefrigerante para reduzir a temperatura da água do mar parafins de dessalinização, como ocorre nos métodos decristalização por congelamento descritos acima, a presenteinvenção utiliza ar limpo refrigerado (obtido pela liberaçãoe expansão de energia do ar comprimido) misturado,diretamente, com goticulas de água do mar, a fim de produzirpartículas de gelo de água doce.

No geral, a abordagem abandona o método dedessalinização por osmose reversa e utiliza o processo decristalização por congelamento, que funciona sob pressãoatmosférica e em baixa temperatura (a de fusão do gelo), aoinvés de pressão atmosférica e alto calor de evaporação,como no caso do método de dest ilação flash de múltiploestágio.

Geralmente a metodologia compreende as seguintesetapas:

1. Produção de um fluxo volumétrico de ar refrigeradoem temperaturas de -115°C (-175°F) sob pressãoligeiramente menor que a atmosférica, e introduçãodeste ar refrigerado em uma câmara misturadoraisolada. 0 ar refrigerado pode ser obtido pelaexpansão do ar comprimido (o qual é produzido por umcompressor) através de um turbo-expansor paraproduzir o ar refrigerado diretamente, ou através deum turbo-expansor e gerador que produz eletricidadee, como sub-produto, ar refrigerado.2. Produção de um fluxo volumétrico de água do mar, quepode ser pulverizado no interior da câmara, sob aforma de uma nuvem de goticulas, e misturado ao arrefrigerado, a fim de reduzir a temperatura dasgoticulas de água do mar até próximo da temperaturaeutética (ou um pouco acima) que, para a água do marcomum é de cerca de -21,2 °C(-6,2 °F).

3. À medida que as goticulas de água do mar começam ase misturar com o ar refrigerado e a se congelar,devido à troca de calor, cristais de gelo de águapura começam a se formar, e a se separar da soluçãosalgada. Com o passar do tempo, isto é, em poucossegundos, as partículas de gelo começam a cair nofundo da câmara onde, devido à troca de calor, atemperatura do ar é maior. Aí, o ar e a crescentemassa de partículas de gelo que vão se depositandoacabam por atingir o equilíbrio térmico que, depreferência, ocorre em uma temperatura pouco acimada eutética. Em seguida, as partículas de gelo,menos densas, começam a flutuar e se aglomeram nasuperfície da solução salina que, mais densa, érecolhida na parte de baixo. Forma-se, assim, umamassa de gelo/neve que continua a crescer epermanece flutuando na superfície da solução de águasalgada; a solução salina, de maior densidade,continua a se separar das partículas de gelo e aescorrer pelos lados e através dos poros e canaisexistentes na massa de gelo/neve. Uma coluna delavagem, de água doce, que envolva o jato de água,pode ser usada para facilitar o escoamento dasolução salgada pela massa de gelo/neve, e ajudar alimpar este gelo ainda mais. Observe que a densidadeda solução salina deve estar entre 1,35 g/cm3,quando concentrada, e 1,025 g/cm3, na água do mar; adensidade da água pura é igual a 1 g/cm3; a do gelode água doce é igual a 0,917 g/cm3, e a da neve émenor do que 0,1 g/cm3. Sendo assim, a soluçãosalina, de alta densidade, flui através dos poros damassa de gelo/neve e pelos espaços entre osfragmentos de gelo.

Ao final do ciclo, isto é, após a massa de gelo/neveser formada, ela deve, de preferência, ser removidae deixada derreter para se obter a água potávelpurificada. A solução salina se torna mais densa esalgada com o tempo, e é removida da câmarajuntamente com quaisquer sólidos salinos formados,de modo que o processo possa recomeçar. 0 sal eoutros minerais depositados podem ser recuperadospara uso industrial posterior ou devem ser tratadosadequadamente, caso venham a ser descartados.A presente invenção contempla, preferencialmente, o usoda expansão de ar comprimido como fonte de baixastemperaturas capazes de congelar e dessalinizar a água domar. Há, pelo menos, três métodos distintos para produção dear refrigerado, os quais são contemplados na presenteinvenção, a saber: (1) um sistema de estocagem de energiapor ar comprimido formado por um compressor e um tanque deestocagem grande, de alta pressão, no qual um turbo-expansoré utilizado para liberar e expandir o ar comprimido quandonecessário, e no qual a energia produzida é convertida em arrefrigerado e/ou energia elétrica; (2) um turbo-expansor coma dupla capacidade de gerar eletricidade e ar refrigerado,no qual a capacidade de geração de eletricidade é, depreferência, substituída por uma capacidade suplementar decompressão, que usa o trabalho do turbo-expansor para reporo ar comprimido liberado em um tanque de surto (surge tank)complementar, e (3) um turbo-expansor capaz de produzir arrefrigerado sem necessidade de estocar energia antes. Emcada um destes casos, o ar refrigerado é injetado na câmarade mistura a fim de resfriar a água do mar injetada nela.

A presente invenção refere-se, de preferência, a umsistema de dessalinização que possa ser feito em bateladas,no interior de uma câmara de mistura na qual se forma amassa de gelo/neve de água doce, que é, então, removida edeixada derreter para formar água pura. Para formar cadabatelada, a água do mar e o ar refrigerado na câmara devemser adequadamente misturados e, em seguida, a água do mardeve ser, de preferência, pressurizada e passada por umconjunto de pulverizadores a fim de formar um jato, ounuvem, de goticulas. Ao injetar o ar refrigerado na câmarade mistura de modo que as goticulas de água do marpulverizadas sejam expostas ao ar refrigerado e circulem comele, cristais de gelo começam a se formar em cada goticula.O volume de cada goticula de água salgada e a temperaturadesta água e do ar refrigerado que são injetados na câmara,assim como o tamanho e a configuração da própria câmaradevem ser, de preferência, pré-determinados cuidadosamente.De preferência, o modo como a água do mar pulverizada e o arrefrigerado são injetados na câmara e misturados também deveser pré-determinado, para garantir que a mistura resultanteatinja rapidamente a temperatura ideal para congelamento edessalinização.

Tipicamente, em relação a uma goticula de água salgada,o congelamento ocorre de fora para dentro, mas com o tempo,a estrutura do gelo formado força a água salgada para fora,isto é, rejeita a salmoura. Foi observado também, que acamada de gelo em torno do cerne de água salgada concentradadesenvolve tensões internas e se fragmenta, forçando oliquido concentrado para fora dela. O aglomerado de cristaisde gelo, que expulsa a água salgada, acaba por formar umaestrutura única, que contém o cristal de gelo sob a forma deum monolito que, por sua vez, é recoberto com água salgada.Quando esses cristais de gelo recobertos colidem, uns com osoutros, a solução salina é forçada a envolver o compósito decristais de gelo recentemente formado. Este processocontinua até que uma macroestrutura de gelo recoberto porsolução salina se separe completamente. No fundo da câmara,a massa de gelo que se forma ao final assemelha-se a neveporosa, e permite a drenagem da água salgada por ação dagravidade. Como será discutido adiante, pode-se adicionarmais água doce para liberar mais água salgada presa no gelo.Essa água doce, que atua congelando e liberando mais águasalgada, pode ser recuperada e re-usada.

A direção dos jatos de água do mar e do ar refrigeradoque são introduzidos na câmara podem contribuir para aformação adequada dos cristais de gelo e, portanto, da massade gelo. Com relação a este aspecto, a presente invençãocontempla ambos os arranjos: 1) em contra-corrente e 2) emcorrente paralela. Os fatores que determinam qual arranjousar dependem da velocidade com que a água do mar precisaser congelada que, por sua vez, depende da temperatura emque esta água e o ar refrigerado entram na câmara, dotamanho desta, do modo como as goticulas de água do mar sãoexpostas ao ar refrigerado e circulam com ele, da quantidadede cada um destes componentes que está sendo introduzidaetc.

Na concretização em contra-corrente, o sistema tem, depreferência, uma câmara que pulveriza a água do mar parabaixo e que permite que o ar refrigerado oriundo do turbo-expansor seja soprado para cima, no sentido contrário ao dasgoticulas de água, fazendo com que elas circulem e secongelem, caindo, em seguida, para o fundo da câmara. Esteprocesso é chamado em contra-corrente porque a água do marpulverizada e o fluxo de ar refrigerado fluem em direçõesopostas, a fim de aumentar o tempo de residência dasgoticulas na câmara. Em outra concretização, o sistema tem,preferencialmente, pelo menos um pulverizador que libera asgoticulas de água do mar dentro da câmara, no sentidodescendente, mas que permite que o ar refrigeradoproveniente do turbo-expansor seja soprado para dentro dacâmara na mesma direção das goticulas de água. Este processoé chamado de correntes paralelas, pois a água do marpulverizada e o ar refrigerado fluem na mesma direção, a fimde permitir que o ar mais frio atue sobre as goticulas quechegam, com a maior taxa de transferência de calor.

Em outra concretização, as paredes da câmara sãoaquecidas, preferencialmente, com a água do mar morna queentra no interior da câmara e/ou com o calor oriundo do arcomprimido, a fim de evitar que o gelo grude nas paredes, eque a massa de gelo se fixe nelas. Quando a água do mar queestá sendo injetada passa através das paredes da câmara, atroca de calor que ocorre ajuda, preferencialmente, a pré-resfriar a água antes de ela ser pulverizada para dentro dacâmara. De preferência, a água do mar é transportada atravésde tubos ou cavidades envolvendo a câmara de cristalização,de modo que esta água do mar seja pré-resf riada atemperaturas quase de congelamento antes mesmo de entrar nacâmara. Ou seja, o ar super refrigerado introduzido nacâmara terá o efeito de resfriar as paredes dela, de modoque, passando os tubos ou cavidades em torno dessas paredese fazendo a água do mar circular por eles, esses tubos oucavidades atuarão como um trocador de calor, que irá pré-resf riar a água do mar. Deste modo, uma vez que a água domar entre na câmara de cristalização ela congelará maisrapidamente e descerá para o fundo, onde continuará oprocesso de congelamento, tornando-se sólida. Assim, atemperatura da água do mar será, de preferência, próxima àde congelamento ou mesmo ligeiramente menor do que a decongelamento da água destilada (0°C ou 32 °F) mesmo antesde entrar na câmara.

O calor liberado pelos compressores também pode serutilizado para um efeito semelhante. É desejável evitar quepartículas de gelo grudem nas paredes da câmara decristalização e se depositem nelas; uma das maneiras de usaro calor liberado é distribuir o ar comprimido quente, ou aágua aquecida por este calor, pelos tubos ou cavidadeslocalizados ao redor da câmara de cristalização. Com relaçãoa isto, os tubos ou cavidades podem, de preferência,envolver a câmara já que é em torno dela que as partículasde gelo tendem a acumular. Como eles atuam como um trocadorde calor, quando o ar quente oriundo do compressor passaatravés das paredes da câmara, o ar comprimido é,preferencialmente, pré-resfriado antes de ser mandado para oturbo-expansor e expandido para produzir o ar refrigerado.Assim, o ar liberado pelo turbo-expansor pode ser tornadoainda mais frio.

A dessalinização ocorre devido ao fato de que a água domar é resfriada a uma temperatura próxima da temperaturaeutética, cerca de -21,1 0C (aproximadamente -6 0F), e sesepara em gelo (água doce congelada) e líquido salino(soluto, sal, altamente concentrado no solvente, água), ondea formação dos cristais de gelo força a água do mar parafora, promovendo também uma separação induzida pela grandediferença de densidade no fundo da câmara. Sob este aspecto,o congelamento da água do mar ocorre, de preferência, emtrês estágios: (1) resfriamento da água do mar filtrada,bombeada através de tubos ou cavidades que envolvem asparedes da câmara de cristalização (forte efeito deresfriamento), (2) resfriamento de gotículas de água do mardurante sua passagem através do ar refrigerado dentro dacâmara (tempo de residência curto, com resfriamento dasgoticulas), e (3) resfriamento das goticulas semi-congeladasapós elas terem se depositado no fundo da câmara para formaruma massa de gelo (tempo de residência mais longo).

Durante a passagem das goticulas através do arrefrigerado, elas vão, progressivamente, se tornando maisfrias de fora para dentro até que, finalmente, cristais degelo começam a se formar na parte externa da goticula. Em umexemplo, as goticulas de diâmetro maior que 4.000 micrapodem ter uma porção interna ainda não congelada, egoticulas de diâmetro menor que 200 micra podem estarcompletamente congeladas, incluindo seu centro.

Foi observado que, mesmo se as goticulas tiverem omesmo tamanho algumas congelarão antes das outras devido aoprocesso pelo qual o gelo se forma em torno de um núcleomicroscópico, que varia em número e tamanho, em cada uma dasgoticulas de mesmo tamanho. Observe que goticulas comdiâmetro acima de 8.000 micra tendem a romper-se sob umvento relativo originando pequenas goticulas. Portanto, acamada de gelo em torno de uma goticula grande (definidacomo aquela com diâmetro igual ou maior que 4.000 micra) iráse fragmentar durante o espessamento da camada de gelo emtorno do cerne liquido. Em experimentos utilizando arrefrigerado a -17 °C e goticulas de água do mar refrigeradaa +5 °C, e com goticulas suspensas de águas residuais depocilgas com diâmetros de 4.200, 3.400 e 2.800 micra,observou-se que cada goticula foi quase totalmente congeladano tempo médio de 7 segundos em pH = 7,1 (neutro), e 7,5segundos em pH = 11 (o limite alcalino é pH=14), e o tempode residência em trânsito das goticulas foi de cerca de 2,5segundos. Logo, grande parte do congelamento acontece após adeposição da goticula no fundo da câmara de cristalização. Asuperfície externa das goticulas congela em um tempo bemmenor, em torno de 0,23 segundo.

É importante que as goticulas congelem para formar umasolução bifásica de partículas sólidas (gelo) e líquidosalino; logo, é desejável que as goticulas atinjam atemperatura eutética, ou próximo, enquanto em movimento. Poroutro lado, se as goticulas se tornarem muito frias (maisfrias do que a temperatura eutética) enquanto se movem pelacâmara, a água doce contida em cada goticula pode congelarjunto com os cristais de sal e com solução salinasolidificada. Neste caso, poderá não ser possível separar osal da água doce. Isto pode ocorrer, por exemplo, quando anuvem de água do mar é formada por goticulas de diversostamanhos, caso em que as goticulas menores podem atingir umatemperatura menor do que a eutética e congelar completamenteassim que chegarem ao fundo da câmara. A esse respeito,considere que um pulverizador projetado para dispersar umanuvem de tamanho médio próximo a um diâmetro de 4.000 micratambém irá gerar um fluxo de massa menor, mas um grandenúmero de goticulas na faixa de diâmetro de 400 micra. Essaspartículas menores têm uma velocidade de sedimentação dezvezes menor e terão um tempo de residência dez vezes maislongo. Além disso, essas partículas menores congelarão maisrapidamente e em temperaturas bem abaixo da eutética quandointeragirem com o fluxo de ar local, saindo dospulverizadores com temperaturas de -92,8 °C (-135 °F) ou-115 °C (-175 °F) na configuração em correntes paralelas.

Portanto, as pequenas goticulas em movimentodescendente através deste regime de temperatura extremamentebaixa certamente causarão cristalização indesejada dasgoticulas originando uma partícula sólida composta de(1) gelo de água doce, (2) sal sólido, no qual cada moléculade sal estará ligada a duas moléculas de água com moléculasde água ligadas, e (3) cristais de sal. Durante a passagemdas pequenas partículas pelo ar frio, não há separação entreágua salgada e água doce. Mas7 como será discutido adiante,a separação ocorrerá quando a gotícula cair sobre a massa degelo acumulada, criada pelas goticulas maiores no fundo dacâmara, que tem, preferencialmente, uma temperatura deequilíbrio acima da temperatura eutética.

As partículas muito pequenas, com diâmetros da ordem depoucas centenas de micron, podem congelar completamente(inclusive seus centros) quando expostas ao ar emtemperaturas muito mais baixas que a eutética, em condiçõespróximas à de pulverização. Quando essas pequenas goticulasse depositam sobre a massa de gelo/neve, mais quente, nofundo da câmara de cristalização, elas são preferencialmenteaquecidas até uma temperatura de equilíbrio ligeiramentemaior do que a do ponto eutético. Logo, se as goticulaspequenas congelarem abaixo da temperatura eutética, elaspodem descongelar novamente em temperatura maior do que aeutética. Nesse ponto, a separação usual entre a estruturasólida porosa de neve/gelo e a solução salina líquida (águasalgada) ocorrerá. Embora os pulverizadores típicos liberempartículas com diâmetros maiores, sempre haverá partículasmenores, com uma distribuição de tamanhos em uma certafaixa. As partículas menores tendem a estar em grandenúmero, mas no conjunto não contribuirão para uma grandemassa.

Com relação a isso, observou-se que é desejável que amassa de gelo no fundo da câmara permaneça em temperaturaligeiramente maior (mais quente) do que a temperaturaeutética, de modo que qualquer líquido salino que reste emtorno de cada partícula de gelo irá drenar e escorrer peloslados da massa gelada, ou através dos espaços vazios ecanais formados na massa de gelo/neve ao invés de congelar eficar retido no interior do gelo. Sendo assim, para se obtero resultado ideal é importante controlar a temperatura do arrefrigerado no interior da câmara, bem como dar temposuficiente para que todo o liquido salino escorra, antes deremover a massa de gelo da câmara. Em alguns casos, poderáhaver algumas goticulas que se depositem durante os últimossegundos do ciclo e que não terão tempo suficiente parapermitir a liberação do liquido salino. Esta é uma fraçãopequena, que irá contribuir para a pequeníssima quantidadede impurezas na água potável final.

O congelamento da água do mar permite,preferencialmente, a formação de partículas flutuantes degelo de água pura com traços de água salgada aderidas aelas, com o objetivo de deixar o sal e outras impurezas nolíquido salino no fundo da câmara. 0 sistema dedessalinização remove, de preferência, as partículas de geloda água salgada, mais densa, de modo que a gravidade auxiliana separação e limpa as partículas de gelo em um de, pelomenos, dois caminhos.

Primeiro, as partículas de gelo podem formar uma massade gelo/neve pelo acúmulo de partículas de gelo no fundo dacâmara; isto é, à medida que elas caem umas sobre as outras.Com o tempo, na proporção em que as partículas caem e seagrupam, elas formam uma massa de gelo, que tenderá aflutuar sobre a solução salina, uma vez que a água salgada émais densa do que o gelo. Neste aspecto, o sistema deve seradaptado para que as partículas de gelo formem uma massacônica; isto é feito, preferencialmente, introduzindo-segotículas de água do mar no centro da câmara, de modo que aspartículas de gelo formadas também se acumularão no centroda câmara. O jato de água do mar deve ser direcionado, depreferência, para o eixo central da câmara, de modo que aspartículas de gelo não se fixem nas paredes e que a massa degelo que se forma no fundo da câmara tenda a se formar nocentro dela, ou seja, em forma de um cone invertido. Por umlado, isso tem a vantagem de permitir que a água salgadaencapsulada ou aderida a cada partícula de gelo de água puraescorra para os lados, ao invés de ficar presa no interiorda massa de gelo, ou seja, em bolsos ou fendas que podem seformar na massa à medida que ela se solidifica. Formando-seuma massa de gelo em formato de cone, a água salgada queadere a cada uma das partículas de gelo simplesmenteescorrerá pelos lados, ao invés de ficar retida, permitindoque o líquido salino seja separado da massa de gelo de modoefetivo, como se deseja. Por outro lado, pesquisasdemonstraram que a massa de gelo obtida pode formar canais eespaços vazios através dela de modo que qualquer líquidosalino acumulado pode, simplesmente, atravessar a massaatravés desses espaços e canais, sem ficar retida. Sob esteaspecto, a massa de gelo se parece mais com neve; ela éporosa para permitir que a água salgada a atravesse.Além da formação de gelo durante a movimentação,especialmente em temperaturas extremamente baixas, há outromecanismo para criar uma massa porosa no fundo da câmara decristalização. Considere-se o caso ideal de goticulasperfeitamente esféricas se acumulando no fundo da câmara. Naconfiguração de empacotamento mais denso, a densidade maisalta é a razão entre os volumes da esfera e o do cubo de arque a circunda, ou seja, [4/3*pi * r3] / [8 r3] ou 0,52g/cm3. A densidade real deverá ficar entre este valorteórico e a densidade da neve, que é de 0,10 g/cm3. Isto dáuma porosidade suficiente para que o liquido salino encontrepassagem livre para o fundo da massa depositada. Uma vez queo denso liquido salino comece a fluir, as partículas de gelose afastam, flutuando, e o líquido drena mais rapidamente.

Esta concretização também tem, preferencialmente, meiosde lavar a massa de gelo com água doce, a qual congela sobrea massa congelada de gelo/neve liberando a camada salinaaderida à medida que mais e mais goticulas são depositadas.Para remoção adicional da solução salina que se fixa nasuperfície de cada partícula de gelo há, de preferência, umainjeção de água doce sobre a camada de gelo/solução salinadepositada no fundo da câmara, para auxiliar a drenagem dasolução salina, camada a camada, por ação da gravidade. Aágua doce congela à medida que adere a cada camada e, emseguida, desloca a finíssima camada do viscoso líquidosalino dos interstícios entre as partículas de gelo. A águadoce congelada sobre as partículas de gelo é,posteriormente, descongelada e, de preferência, recuperadapara re-uso, sem necessidade de mais água doce. Se fornecessária uma água com pureza mais alta, pode-seacrescentar uma coluna de lavagem à jusante. Para isto, águadoce adicional em temperatura ambiente, como 15,5 °C (60°F) , pode ser pulverizada sobre a massa de gelo para ajudara remover o líquido salino dela, à medida que ela se forma.A maior parte do líquido salino é deslocada dos espaçosentre as partículas de gelo por ação da gravidade. Depreferência, o líquido salino é retirado do fundo da câmara,através de um dreno.

A seção inferior da câmara contém, preferencialmente,uma cesta perfurada para recolher as partículas de gelo quedescem e formam a massa de gelo no fundo, mas que permite acirculação do ar refrigerado para fora da câmara. Em relaçãoa isto, as paredes laterais da câmara têm, de preferência,um orifício de escape através do qual o excesso de arrefrigerado pode sair da câmara, ser distribuído para osistema de condicionamento de ar e usado como arrefrigerado. Outros métodos (além da cesta perfurada) pararemoção da massa de gelo/neve, como pistões e pinças, tambémsão possíveis. As partículas de gelo que se depositam nofundo da cesta, de preferência formam uma grande massa degelo ou, em alguns casos, uma lama, e as perfurações nacesta permitem que a solução salina passe deixando paratrás, na cesta, as partículas de gelo de água pura. Então,retirando-se a cesta, a massa de gelo e/ou lama de água purapode ser removida da câmara.

A massa de partículas de gelo que é removida pode,então, ser fundida para produzir água doce no fundo de umtanque de estocagem. Pode-se pulverizar água docerelativamente morna, neste caso em temperatura maior do que15,5 0C (60 °F), sob a forma de uma coluna de lavagemdescendente sobre as partículas de gelo, para lavá-lo e paraprovocar o seu derretimento. Como alternativa, ou emconjunto com a água de lavagem, ar local quente pode serintroduzido no tanque de estocagem para ajudar na fusão daspartículas de gelo. À medida que o gelo derreter, asgotículas de água doce podem passar pelos furos da cesta ese aglomerar no fundo do tanque de estocagem, sob a forma deágua doce potável resfriada. Pode-se utilizar mais de umacesta, de modo que os processos de dessalinização ederretimento não precisem ser interrompidos durante aremoção de cada cesta da câmara. Outros métodos de remoção efusão da massa de gelo, como o uso de uma porta do tipo dropdown, que permite que a massa de gelo caia em uma esteirarolante e seja levada para onde possa ser mais facilmentederretida, também são disponibilizados.Devido ao fato da massa de gelo ser feita destematerial e, portanto, gelada, a água doce produzida pelo seuderretimento é refrigerada. A partir dai, esta água docefria pode ser distribuída para beber ou usada para outrosfins como, por exemplo, ser guardada para uso posterior emsistemas de condicionamento de ar, ou re-circular paradentro da câmara de cristalização, a fim de ser utilizadacomo jato da coluna de lavagem ou ser pulverizada no tanquede estocagem.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 é uma representação esquemática de umaversão de um tanque de armazenagem de energia de arcomprimido do sistema de dessalinização da presenteinvenção, na qual a energia eólica, ou de outra fonte, éutilizada na co-geração de ar refrigerado para fins dedessalinização.

A Figura 2 é uma representação esquemática que mostra aversão com tanque de surto do sistema de energia por arcomprimido da presente invenção.

A Figura 3 é uma representação esquemática da versãosem tanque do sistema de energia por ar comprimido dapresente invenção.As Figuras 3a e 3b são folhas de dados relacionados como compressor secundário e com os trocadores de calor usadospara manter o ar refrigerado frio.

As Figuras 3c e 3d são gráficos mostrando diferentesdescargas do turbo-expansor.

A Figura 4a é um fluxograma mostrando a configuraçãoque fornece o máximo de eletricidade.

A Figura 4b é um fluxograma mostrando uma configuraçãoque fornece uma combinação de eletricidade e ar refrigerado.

A Figura 4c é um fluxograma mostrando a configuraçãoque fornece o máximo de ar refrigerado e nenhumaeletricidade.

A Figura 5 apresenta a termodinâmica de um turbo-expansor de 500 kW.

A Figura 6 mostra um gráfico de porosidade de neve, emque a densidade da neve é comparada com a temperatura do ar.

A Figura 7 apresenta uma composição padrão de água domar, incluindo a porcentagem em peso e a temperaturaeutética de cada componente.

A Figura 8 apresenta os requisitos da água potávellimpa.A Figura 9 apresenta regimes de temperatura para fasesde goticulas de água.

A Figura 10 apresenta características depulverizadores.

A Figura 11 apresenta uma faixa de tamanhos degoticulas possíveis por tipo de pulverizador.

A Figura 12 mostra um gráfico de temperatura degoticulas de água e tempo de residência, dentro de um jatode ar frio (lk e 2k micra).

A Figura 13 mostra a velocidade final de goticulas deágua no ar.

A Figura 14 apresenta um corte da câmara de misturaprincipal com tubos e/ou cavidades em torno de suas paredes,para circulação da água do mar e/ou ar comprimido ou água1aquecidos através das paredes da câmara.

A Figura 15 mostra um corte da câmara de misturaprincipal, com ar refrigerado sendo injetado a partir dotopo dela, conhecido como "em correntes paralelas".

A Figura 16 apresenta um corte da câmara principal,com ar refrigerado sendo injetado no sentido ascendente,contrário ao das goticulas de água do mar que caem,conhecido como "em contra-corrente".A Figura 17 mostra um corte da câmara principal com umarranjo em contra-corrente, mostrando a altura "H" deinjeção do ar refrigerado.

A Figura 18 mostra um corte da câmara principal, com umarranjo em contra-corrente, mostrando a altura "H" deinjeção do ar refrigerado e a abertura da coroa circular emtorno da massa cônica de gelo.

A Figura 19 mostra a possível evolução da fraçãolíquida durante o ciclo de resfriamento e aquecimento de umasolução salina.

A Figura 20 mostra um diagrama de equilíbrio de fasespara uma solução salina aquosa abaixo da concentraçãoeutética de 23,3%.

A Figura 21 mostra um gráfico de temperaturas do cernede uma gotícula de água com tempo de residência de 0,2segundo (lk e 4k micra).

A Figura 22 mostra um gráfico de temperaturas do cernede uma gotícula de água com tempo de residência de 2,0segundos (lk e 4k micra).

A Figura 23 apresenta variações nas densidades da águae do gelo em função da temperatura.

A Figura 24 apresenta variações na densidade da águasalgada em função do percentual de cloreto de sódio.A Figura 25 mostra um corte da câmara principal,mostrando um sistema em cont ra-corrente no qual o arrefrigerado é introduzido de modo que ele sobe através dacâmara, contra as goticulas de água do mar que caem, e emque um sistema hidráulico de levantamento é utilizado pararemover a massa de gelo ao final do ciclo.

A Figura 26 apresenta um corte da câmara principal,mostrando o sistema em contra-corrente da Figura 25, em queo ar refrigerado é introduzido de modo que ele se desloca10 para cima no interior da câmara, contra as goticulas de águado mar que caem, e em que uma massa de gelo começa a seformar no fundo da câmara onde se recolhe a solução salinaconcentrada.

A Figura 27 mostra um corte da câmara principal,15 mostrando o sistema em contra-corrente da Figura 25, em queo ar refrigerado é introduzido de modo que ele se deslocapara cima no interior da câmara, contra as goticulas de águado mar que caem, e em que uma massa de gelo se forma nofundo da câmara, se recolhe solução salina concentrada e seformam depósitos de sal sólido.

A Figura 28 mostra um corte da câmara principal em umaconcretização contendo pinças, que prendem a massa de gelodepois que ela se forma e o ciclo se completou.A Figura 29 mostra um corte da câmara principal após ofinal do ciclo, em que o liquido salino frio que resta nofundo da câmara é introduzido em um trocador de calor, queajuda a pré-resfriar a água do mar que entra na câmara.

A Figura 30 mostra um corte da câmara principal após ofinal do ciclo, em que os depósitos de sal sólido que ficamsão removidos por um sistema hidráulico de levantamento.

A Figura 31 apresenta um esquema do sistema dedessalinização com uma câmara de cristalização que utilizaar refrigerado para congelar partículas de água do marinjetadas na câmara sob a forma de névoa ou jato, e no qualo ar refrigerado é introduzido por cima, conhecido como emcorrente paralela.

A Figura 32 é um esquema do sistema de dessalinizaçãoapresentado na Figura 31, mostrando como as partículas degelo se agrupam no fundo da câmara para formar uma massa degelo, e onde uma cesta perfurada é utilizada para remover ogelo.

A Figura 33 é um esquema do sistema de dessalinizaçãoapresentado na Figura 31, mostrando como as partículas degelo podem ser removidas da câmara e fundidas, utilizando-seuma coluna de lavagem em um tanque de estocagem.

A Figura 34 é um esquema do sistema de dessalinizaçãoapresentado na Figura 31, mostrando como as partículas degelo podem ser removidas da câmara e fundidas, utilizando-sear quente local, e em que uma cesta perfurada é utilizadapara remover o gelo.

A Figura 35 mostra um gráfico de temperaturas do cernede goticulas de água com tempo de residência de 2,0 segundos(200 e 4k micra) .

Descrição Detalhada da Invenção

O método de cristalização por congelamento paradessalinização de água, discutido acima, requer um sistemade resfriamento para o congelamento da água do mar,necessário para separar a água doce das impurezas contidasna água do mar. A presente invenção apenas incorpora o usode tecnologia de geração de energia por ar comprimido comoum meio de produzir também ar refrigerado, como sub-produto,em que um turbo-expansor pode ser utilizado para liberar eexpandir a energia do ar comprimido, a fim de produzir umaquantidade de ar refrigerado adequada ao objetivo dedessalinização.

A. Sistemas de Energia de Ar Comprimido

A presente invenção contempla, preferencialmente, o usode um, entre pelo menos três diferentes métodos de produçãode ar refrigerado, incluindo (1) um sistema de armazenamentode energia de ar comprimido contendo um compressor e umgrande tanque de estocagem sob alta pressão, em que umturbo-expansor é usado para liberar e expandir a energia doar comprimido, quando necessário, e no qual a energia podeser convertida em ar refrigerado e/ou energia elétrica, (2)um turbo-expansor com a dupla capacidade de gerar energia ear refrigerado, no qual a capacidade de geração deeletricidade é substituída, preferencialmente, pelacapacidade suplementar de um compressor que utiliza otrabalho do turbo-expansor para alimentar o ar comprimidodescarregado em uma câmara de equilíbrio suplementar, e (3)um turbo-expansor com capacidade de produzir ar refrigeradosem necessidade de estocar energia antes. Cada um destessistemas será discutido em seguida.

1. Sistema de Tanque de Estocagem de Energia de ArComprimido

Esta concretização, como apresentado na Figura 1,contém preferencialmente um sistema de estocagem de energiapor ar comprimido, 1, com um motor elétrico 3, um compressorprincipal 7, um tanque de estocagem 5, uma válvula decontrole 9, um turbo-expansor 11 e um turbo-gerador 13 parageração de eletricidade. Na Figura 1, "A" designa a rotapela qual a energia elétrica é transmitida, a partir dafonte de energia 2 - que pode ser uma turbina eólica 4, umacentral eólica, um motor a diesel, um gerador de potência,ou qualquer fonte de energia convencional como, por exemplo,um usina de geração geotérmica de potência, uma usinanuclear, uma usina de geração de energia por combustíveisfósseis, ou a rede de distribuição de energia - ao motorelétrico 3. Algumas dessas fontes de energia,freqüentemente, geram mais energia do que o necessário. Oexcedente de energia pode ser armazenado sob a forma de arcomprimido. Quando a energia elétrica é recuperada deste arcomprimido, a fim de atender à demanda, o ar super-refrigerado que é gerado junto pode ser utilizado paradessalinização. De preferência, o motor 3 aciona ocompressor principal 7 para comprimir o ar que é, então,estocado no tanque 5.

A energia do ar comprimido pode ser guardada no tanque5 por um longo período de tempo, até ser necessária. Então,na ocasião adequada, a válvula de controle 9 pode ser usadapara liberar o ar comprimido de modo a que ele sejaexpandido pelo turbo-expansor 11. Neste ponto, se desejado,em especial quando há necessidade de energia elétrica, ocalor residual oriundo do compressor principal 7 podecircular pelo turbo-expansor 11, para reduzir e compensar oefeito de temperaturas super baixas. Mas, se for preciso arrefrigerado, como será o caso quando o objetivo fordessalinização, será benéfico não utilizar o calor perdido,já que este irá apenas aumentar a temperatura do arrefrigerado. Ao mesmo tempo, a perda de calor pode serutilizada para' regular a temperatura do ar refrigerado, setemperaturas precisas forem desejadas.

Um dos produtos que podem ser obtidos por este sistema1 é eletricidade, a qual pode ser gerada diretamente peloturbo-gerador 13, à medida que o ar comprimido for sendoliberado do tanque 5 pelo turbo-expansor 11, para criar umfluxo de ar de alta velocidade. Outro produto produzido é arrefrigerado, o qual é gerado como um sub-produto à proporçãoque o ar comprimido do tanque 5 é liberado e expandido peloturbo-expansor 11. Em todos os casos, o presente sistema 1 éadaptado de modo que esses produtos podem ser geradossimultaneamente, isto é, o ar comprimido pode gerar 1)eletricidade, usando o turbo-gerador 13, 2) ar refrigeradoutilizando o turbo-expansor 11, ou 3) ambos, eletricidade ear refrigerado, dependendo das necessidades do sistema.

0 tanque de estocagem sob alta pressão 5 é, depreferência, disponibilizado e projetado para suportar asaltas pressões passíveis de serem geradas pelo compressorprincipal 7, e isolado para manter uma temperatura constanteno tanque. Ele pode ser, também, em forma de duto ou dequalquer outro recipiente adequado para armazenar arpressurizado. 0 termo "tanque" será usado para incluir tubose outros meios de estocagem de ar comprimido. 0 tanque 5deve, de preferência, ser colocado próximo ao compressor 7 eao turbo-expansor 11, de modo que o ar comprimido possa sertransportado para o tanque 5 e depois circulado pelo turbo-expansor 11 sem perda significativa da pressão. Embora apresente invenção contemple a possibilidade de utilização detanques de vários tamanhos, o presente sistema prevê, depreferência, que o tamanho do tanque seja baseado nasnecessidades do sistema, no tamanho da instalação ou dademanda, no custo do sistema, etc., necessários parafornecer uma quantidade suficiente de energia de arcomprimido para estocagem. Quando não há espaço suficientepara um tanque, ou quando se considera uma aplicaçãoespecifica, podem ser usadas as versões com câmara deequilíbrio, ou sem tanque, a serem discutidas.

A presente invenção contempla o fato de que quaisquermeios convencionais de liberação de ar e conversão de arcomprimido em energia elétrica e/ou ar refrigerado podem serutilizados. Em uma concretização preferida, um ou maisturbo-expansores 11 são usados para liberar o ar comprimidoe criar um fluxo de ar de alta velocidade, o qual pode serutilizado para fazer funcionar o turbo- gerador 13, a fim degerar energia elétrica. Esta eletricidade pode, então, serusada para suplementar a energia elétrica fornecidadiretamente pela fonte, se necessário, ou para acionar umcompressor suplementar, que pode produzir mais ar comprimidoque, por sua vez, pode ser reciclado e armazenado no tanque5. Nessas concretizações, o turbo-expansor 11 forneceenergia, preferencialmente, a um alternador conectado a umconversor AC/DC, seguido por um inversor de corrente DC/ACe, em seguida, por um condicionador de potência para adequaras impedâncias aos circuitos utilizados. Essa cadeia dedispositivos assegura que as entradas variáveis defreqüência resultem na freqüência constante de saidanecessária.

Opcionalmente, quando a dessalinização não énecessária, pode-se disponibilizar um ou mais meios defornecimento de calor ao sistema de energia de ar comprimido1 para impulsionar a geração de energia pelo turbo-gerador13. A presente invenção contempla que, pelo menos três tiposdiferentes de sistemas de aquecimento podem ser utilizadospara fornecer calor, incluindo 1) coletores termo-solarespara utilizar a energia do sol, 2) coletores de calorresidual para aproveitar o calor residual gerado peloscompressores, e 3) uma unidade separada de aquecimento, talcomo um queimador de combustível fóssil, para injetar calorno sistema. Neste, devido ao fato de, normalmente, se desejagerar ar refrigerado como um sub-produto para fins derefrigeração ou dessalinização, o calor residual e outrossistemas de aquecimento são, em geral, usados somente quandoeletricidade está sendo gerada pelo turbo-gerador 13, equando se necessita de pouco ou nenhum ar refrigerado, ouainda, quando este não está sendo utilizado pararesfriamento ou dessalinização.

A presente invenção beneficia-se, preferencialmente, dofato do ar refrigerado estar sendo gerado pelo turbo-expansor 11 para propósitos secundários, como dessalinizaçãoda água e condicionamento de ar, o que aumenta a eficiênciado sistema. Por exemplo, além de usar o ar refrigerado parafazer um resfriamento direto para os condicionadores de are/ou redirecioná-lo pelos dutos até os compressores, a fimde mantê-los frios, na concretização preferida da presenteinvenção, o ar refrigerado é usado para resfriamento em umsistema de dessalinização. 0 ar refrigerado que sai dadessalinização também pode ser utilizado para sistemas decondicionadores de ar e assemelhados.

O circuito lógico 6 contém, preferencialmente, umsistema de controle para gerenciar a operação do tanque deestocagem 5, do compressor 7, do turbo-expansor 11, doturbo-gerador 13, das unidades de aquecimento, doscomponentes de refrigeração, etc. Uma das principais funçõesdesse sistema de controle é direcionar a energiaimediatamente para onde necessária, sem passar pelocompressor, se desejado. Neste caso, a energia só é enviadaao compressor se a fonte de energia produzir excesso que nãopossa ser aproveitado pelo usuário. Por outro lado, quandohá falta de energia na central, mas o usuário necessitadela, o ar comprimido pode ser liberado a fim de suprir odéficit. Nas circunstâncias em que haja deficiência deenergia em relação à demanda e o tanque de estocagem estejaabaixo do mínimo necessário, pode ser preciso ligar aenergia de emergência. 0 sistema de controle deve serprojetado, de preferência, para ser capaz de manter o nívelde energia do ar comprimido no tanque 5 em um nívelapropriado, através da regulagem do fluxo de ar comprimidoque entra e que sai desse tanque. 0 sistema de controle deveter, preferencialmente, um microprocessador pré-programado,de modo que o sistema funcione automaticamente.

Um turbo-expansor comum de 500 kilowatt, 11, ou outroexpansor convencional, pode ser acoplado ao tanque deestocagem 5, que armazena o ar comprimido produzido pelocompressor 7. O ar retirado, associado ao trabalho realizadopela expansão do ar comprimido no tanque 5 pode gerar um arextremamente frio, que é usado, então, para fins dedessalinização. Neste exemplo, o turbo-expansor 11 permite,de preferência, uma entrada de ar comprimido com pressão decerca de 13,6 atm (200-psia) e +21,1 °C (+70 °F) ( entropiade entrada = 1, 4552 BTU/#-°R) e uma pressão de saída deaproximadamente 1 atm (14,67-psia), que seráisentropicamente expandida até cerca de -134,4 °C (-210 °F)(entropia de saída = 1, 4552 BTU/#-°R) . Se a eficiênciatermodinâmica da expansão for de apenas 79%, devido à quedade pressão excessivamente grande ao longo do turbo-expansor,a temperatura de descarga será de aproximadamente -102,6 0C(-152,7 °F).

Similarmente, um turbo-expansor de 500 kilowatt com umapressão de entrada de ar comprimido de 13,6 atm (200-psia) e21,1 °C (70 °F) (entropia de entrada = 1, 4552 BTU/#-°R) esaida sob pressão mais alta, de 2 atm (30-psia) , iráexpandir isentropicamente a -102,9 0C (-153,2 °F) (entropiade saida = 1, 4552 BTU/#-°R) . Se a eficiência termodinâmicada expansão com uma variação de pressão menor for de 85%, atemperatura de descarga será de aproximadamente -84,8 °C (-120,6 °F).

Em ambos os casos considerou-se a termodinâmica dotanque de estocagem e seu efeito sobre a temperatura do ar.A pressão dentro do tanque de estocagem irá cair à medidaque o ar for sendo retirado. Espera-se que a temperatura doar dentro do tanque de estocagem caia, quaseadiabaticamente, a níveis inaceitáveis como de entrada paraoperação eficiente do turbo-expansor. No entanto, devido asua grossa parede de aço, necessária para suportar a altapressão de ar, o tanque de estocagem atua também comoarmazenador de calor, já que as paredes de aço retêm calorsuficiente mesmo a uma temperatura inicial de 21,1 °C (70°F) , para evitar que a temperatura do ar residual caiasignificativamente. Assim, à medida que a temperatura dentrodo tanque começa a cair, o calor sensível através dasparedes começa a fluir na direção do gradiente negativo detemperatura, entre a parede de aço e o ar no interior dotanque. O resultado líquido é que o ar residual dentro dotanque apresenta uma queda moderada de temperatura,aceitável para o turbo-expansor.

A energia termodinâmica de 510 kW (térmica) irá,provavelmente, gerar 450 kW (eléctrica) devido à perda de 2%por atrito nas engrenagens e à perda de 10% da energiadurante a conversão pelo gerador elétrico. A termodinâmicade um turbo-expansor de 500 kW está mostrada na Figura 5.

Em ambos os casos, pode-se observar que o ar que sai doturbo-expansor 11 tem temperatura extremamente baixa,adequada a dessalinização. Essas temperaturas baixas, comaltíssimo potencial de refrigeração/congelamento, pode sermuito útil para a dessalinização de água do mar quando seemprega uma forma modificada da cristalização porcongelamento eutética (CCE), discutida abaixo.

2. Sistema de Energia de Ar Comprimido com Tanque de Surto

Outro sistema de energia de ar comprimido está mostradona Figura 2, que apresenta detalhes de um compressor 15 e deum turbo-expansor 17 de uma concretização na qual há somenteum pequeno tanque de surto 19, ao invés de um grande tanquede estocagem. Neste sistema, a energia da fonte pode serusada para acionar o compressor 15, de onde o ar comprimidoé canalizado para dentro do tanque de surto 19. Uma válvulade controle, 21, controla a quantidade de ar comprimido que é liberada para o turbo-expansor 17. Como se pode ver naFigura 2, o ar pressurizado e expandido que sai do turbo-expansor 17 é canalizado, de preferência, de duas maneirasdiferentes. Primeiro, o ar refrigerado co-produzido peloturbo-expansor 17 pode ser canalizado através de um tubo,20, e distribuído para o sistema de dessalinização, comoserá discutido adiante, ou para outra função derefrigeração. Segundo, a energia adicional proveniente doturbo-expansor 17 pode ser reciclada, através da conduta 18,para uma caixa de transmissão, 16 que, por sua vez, permiteque um compressor alternativo de estágios múltiplos, 23,produza mais energia a ar comprimido. Esta pode serreciclada para o tanque de surto 19, a fim de completar adescarga de ar comprimido nele. Desta forma, qualquerenergia extra produzida pelo turbo-expansor 17, que não seja utilizada sob a forma de ar refrigerado, pode ser recicladapara produzir mais ar comprimido que, por sua vez, pode serusado para produzir mais ar refrigerado e/ou eletricidade.

O ar atmosférico local pode, de preferência, sercomprimido pelo compressor alternativo 23 em um fluxo consistente com a pressão de retorno do ar estocado notanque de surto 19. Assim cria-se, preferencialmente, umfluxo positivo de ar vindo do primeiro compressor, 15, quese combina com aquele, também positivo, vindo do compressoralternativo 23 e encontra o fluxo negativo que sai daalimentação do turbo-expansor 17. Este equilíbrio acontecesob uma pressão de equilíbrio, que depende das curvasSCFM/HP dos compressores 15 e 23, e do turbo expansor 17. Apressão para um dado conjunto comercial de equipamentos deveser ligeiramente maior do que 20,5 atm (200-psig).

Observe-se que se quiser co-produzir eletricidade comeste sistema, a caixa de transmissão 16 pode ser configuradade modo que a conduta giratória 18 do turbo-expansor 17possa ser conectado a um gerador elétrico para produzireletricidade, e desconectado do compressor alternativo 23.Esta opção permite que a conduta 18 seja conectada edesconectada do compressor alternativo 23 acionado porturbina, que pode ser usado para reciclar o ar comprimidopara o tanque de surto 19.

3. Sistema de Energia de Ar Comprimido Sem Tanque

A Figura 3 apresenta detalhes de um sistema de energiaa ar comprimido "sem tanque", incluindo um compressor 31 eum turbo-expansor 33 de uma concretização na qual não hánecessidade de um tanque de estocagem. Neste sistema, aenergia da fonte pode ser usada para comprimir o ar usandoum motor elétrico, 32, um compressor secundário 34, e umturbo-compressor 31, em que o ar comprimido pode serliberado utilizando-se o turbo-expansor 33, sem que aenergia tenha sido primeiro armazenada. 0 motor elétrico 32pode ser acionado diretamente pela eletricidade gerada pelafonte de energia 3. 0 ar comprimido pode ser gerado, também,diretamente pela fonte de energia 3 e, se desejado, levadopara acionar o turbo-compressor 31.

Como pode ser visto na Figura 3, o motor elétrico 32 éutilizado, preferencialmente, para acionar o compressorsecundário 34, de modo que o ar pressurizado que sai destecompressor 34 seja refrigerado por um trocador de calor 35,que se estende ao longo da linha 36, e o ar que sai docompressor 34 é, então, levado para o turbo-compressor 31.Este, preferencialmente, compartilha a conduta 39 com oturbo-expansor 33, de modo que o acionamento de um levatambém a acionar o outro, de modo que o sistema possaatingir um estado estacionário de operação, como serádiscutido adiante.

Um segundo trocador de calor, 37, é colocadopreferencialmente junto à linha 38, entre o turbo-compressor31 e o turbo-expansor 33, de modo que à medida que o arcomprimido passa do turbo-compressor 31 para o turbo-expansor 33, também passa pelo segundo trocador de calor,37, para resfriar o ar mais uma vez. Desta forma, o ar queentra no turbo-expansor 33 é relativamente frio. Um pequenotanque de surto, como o mostrado na Figura 2, pode sercolocado entre o segundo trocador de calor 37 e o turbo-expansor 33, se desejado. Os sistemas de troca de calorutilizados podem ser incorporados nas paredes da câmara demistura, sob a forma de tubos e/ou cavidades, como serádiscutido adiante.

Já que o turbo-compressor 31 e o turbo-expansor 33 sãoacionados pela mesma conduta 39, os dois são operadossimultaneamente, o que ajuda a reduzir o custo total deacionamento dos mecanismos. Na verdade, porque o motorelétrico 32 pode, inicialmente, comprimir o ar para criaruma pressão dentro do sistema e o ar comprimido é canalizadopara o compressor 31 e, depois, para o turbo-expansor 33, aforça de acionamento do turbo-expansor 33 pode ser, aprincipio, usada para acionar o compressor 31 eliminando,assim, a necessidade de usar energia adicional para acionarqualquer um desses mecanismos.

Por exemplo, quando o ar comprimido oriundo docompressor secundário 34 passa do turbo-compressor 31 para oturbo-expansor 33, este começa a girar, levando o turbo-compressor 31, que está sobre a mesma conduta 39 a girartambém. Assim, à medida que o turbo-compressor 31 aumenta avelocidade de rotação, ele aumenta a pressão de entrada doar vindo do compressor secundário 34 para o turbo-expansor33, fazendo com que este acelere mais. 0 ciclo de aceleraçãodos sistemas turbo-expansor 33 e turbo-compressor 31 com amesma conduta 39, usando a energia do compressor secundário34 pode, ao final, alcançar um estado estacionário em que osfluxos através do compressor secundário 34, do turbo-compressor 31 e do turbo-expansor 33 se igualam. A energiarotacional através do turbo-compressor 31 também pode seigualar à do turbo-expansor 33. 0 ar comprimido gerado pelafonte de energia pode, também, alimentar diretamente oturbo-compressor 31, obtendo-se o mesmo efeito que seutilizasse o compressor secundário 34. Utilizam-se controlespara gerenciar e operar os trocadores de calor, que ajudam acontrolar a temperatura do ar que passa através do turbo-expansor 33. Esses controles determinam quais trocadores decalor serão usados em dado momento e o quanto eles podem serefetivos.

A Figura 3a mostra o seguinte: primeiro, a descriçãotermodinâmica do compressor secundário 34 (identificado comocompressor alternativo) durante sua operação entre 1 atm(14,67-psia) e 6 atm (90-psia). O processo de compressão éconsiderado isentrópico de forma que pode-se conseguir ar de1 atm (14,67-psia) e 21,1 °C (70 °F) até 6 atm (90-psia) e219,13 °C (426,44 °F) (entropia = 1,6366 BTU/(# R). Contudo,deve-se observar que o processo de compressão pode tereficiência de 84% ou menos, fazendo com que mais energiaseja gasta para alcançar 6 atm (90-psia) e, portanto, atemperatura final seja, na verdade, mais alta; isto é, podechegar aos 255,5 0C (492 °F) ou mais. Refrigeração a água nocompressor e em fluxo descendente no trocador de calor 35leva, de preferência, a uma temperatura de saida de cerca de21,1 0C (70 °F). A água aquecida pode, então, ser enviada aosistema de água quente como recuperação de calor residual,se desejado, ou às paredes da câmara de cristalização, comoserá discutido adiante. Considere-se, também, que pode haveruma queda de pressão, de cerca de 0,3 atm (5-psi), entre ocompressor secundário 34 e o turbo-compressor 31.

Um processo similar é repetido, preferencialmente, como turbo-compressor 31 (identificado como compressorcentrifugo) com 84% de eficiência. O resultado é que o ar5,8 atm (85-psia) e 21,1 0C (70 0F) é comprimido a cerca de14 atm (205-psia) e 121,1 0C (250 °F) usando-se cerca de43, 36 BTU/# de fluxo de ar. Mais uma vez, refrigeração aágua no compressor e em fluxo descendente no trocador decalor 35 leva, de preferência, a uma temperatura de saida decerca de 21,1 0C (70 °F) . A água aquecida pode, então, serenviada ao sistema de água quente como recuperação de perdade calor, se desejado, ou às paredes da câmara decristalização, como será discutido adiante. Considere tambémque há uma queda de pressão de cerca de 0,3 atm (5-psi)entre o turbo-compressor 31 e o turbo- expansor 33. Esteaceita entrada de ar a 13,6 atm (200-psia) e 21,1 °C (70 °F)e pode liberar ar refrigerado a cerca de 2,1 atm (31,5 psia)e -81,5 °C (-114,8 °F). Isto libera 43,416 BTU/# de fluxo dear, ligeiramente mais do os 43,36 BTU/# requeridos peloturbo-compressor 31.

Um exemplo é dado na Figura 3b, em que um sistema de2.000 hp pode fornecer 10.857, 6 SCFM de ar a -81,5 0C (-114,78 °F) para fins de refrigeração. Observe-se que istofoi alcançado alimentando-se apenas o compressor secundárioalternativo 34 de 2.000 hp com uma eficiência de 102,79BTU/# ou 5,5 SCFM/HP. Na Figura 3a há alimentação elétricade 2.000 e saida térmica de 844,3 hp , o que representaeficiência de 42,2%.

Esses números e quantidades são estimados e fornecidosapenas como exemplos. No caso real, o sistema dedessalinização da presente invenção trabalha, depreferência, com ar refrigerado na faixa de temperaturascompreendida entre -92,8 °C (-135 °F) e -115 °C (-175 °F).Logo, sistemas com potencial de resfriamento maior, como osobtidos pelo aumento da pressão liberada, também estãocontemplados na presente invenção. Os números e quantidadesreais podem variar.

A baixa temperatura disponível a partir do turbo-expansor pode ser generalizada considerando-se um exemplo depressão de entrada de 13,6 atm (200-psia) e duas pressões dedescarga (1) 2 atm (30-psia) para um turbo-expansor de umestágio, e (2) 1 atm (14,67-psia) para um turbo-expansor dedois estágios. No primeiro caso, a pressão de descarga de 2atm (30-psia) considera um processo de corrente descendente,no qual o ar resfriado precisará de pressão suficiente parapassar pelo longo conjunto de tubos e válvulas e as perdasde pressão associadas a ele. No segundo caso, a pressão dedescarga de 1 atm (14,67-psia) considera que não háconseqüência na tubagem de corrente descendente, e fornece amaior queda de pressão (queda de temperatura) ao longo doturbo-expansor.

A Figura 3c mostra a grande diferença entre osrequisitos de fluxo de ar para produzir uma unidade deenergia (SCFM/hp) nos dois casos específicos acima. A Figura3c mostra que, quanto maior a temperatura inicial, menor ofluxo necessário para produzir uma unidade de energia.Assim, maiores temperaturas iniciais irão demandar menosenergia de ar comprimido, e um tanque de estocagem menor,para produzir uma dada quantidade de energia no mesmo tempode descarga energética. Por outro lado, a Figura 3d mostraque, menor temperatura inicial levará a uma temperatura dedescarga mais baixa. A Figura 3d mostra ainda que descargasentre 13,6 atm (200-psia) e 1 atm (14,67-psia) (pressãoatmosférica) produzem temperaturas extremamente baixas comtemperaturas iniciais menores. Assim, se o objetivo fordessalinização ou condicionamento de ar é preciso levar emconsideração a maior queda de pressão e temperaturasiniciais mais baixas.

B. Aplicações do Presente Sistema de Dessalinização:

Este sistema de dessalinização pode ser usado em,virtualmente, qualquer aplicação onde seja necessáriodessalinizar. Por exemplo, pode haver necessidade de umsuprimento de água doce para uma cidade próxima ao litoral,durante um período de estiagem; ou pode haver grandequantidade de água salobra em poços abertos em um deserto.Na seção seguinte serão consideradas apenas duas aplicações:(1) a bordo de uma embarcação, e (2) insular ou "em terra".Na primeira aplicação, o objetivo é maximizar a produção deágua doce em detrimento da produção de energia elétrica (verFigura 4c, que apresenta o cenário #3) . Qualquer energiaelétrica produzida será reutilizada na operação docompressor de ar, tal como no caso da energia de arcomprimido no tanque de surto descrito anteriormente. Nasegunda aplicação, deseja-se flexibilidade bastante parapassar de um cenário a outro, seja maximizando a produção deenergia elétrica, ou maximizando a dessalinização, oumantendo um equilíbrio entre os dois (ver Figuras 4a, 4b e4c, que mostram os cenários #1, #2 e #3) .1. Uso em Navios:

Como visto no cenário #3, na Figura 4c, o óleo dieseldisponível a bordo de um navio pode ser usado para operar ocompressor #1, 55. Este fornece, de preferência, arcomprimido para um tanque de surto muito pequeno, 57. Estapossui uma saída para o turbo-expansor 61 que, por sua vez,expele ar extremamente frio. 0 tubo de exaustão do turbo-expansor 61 é ligado, de preferência, ao rotor de um turbo-compressor - Compressor #2, 59 -, que comprime o ar daatmosfera local e direciona este ar comprimido de volta àtanque de surto 57. Assim, o sistema utiliza óleo dieselpara acionar o compressor #1, 55, produzindo ar super-resfriado como sub-produto. Como será discutido adiante,este ar super-resf riado pode interagir com água do mar egerar água pura utilizando o sistema de dessalinização aquidescrito. Este dispositivo, em comparação com outrossistemas existentes utilizados em embarcações, como o métodode osmose reversa, pode ser relativamente pequeno e geraruma quantidade significativa de água doce.

Em uma variação desta concretização, o sistema para usoem embarcações também pode ser acionado por uma turbinaeólica, 51, montada sobre a embarcação, a fim de utilizar aenergia gerada pelo vento para acionar o compressor 55. Aturbina 51 pode ser montada de modo que possa oscilar eficar sempre a favor do vento; deste modo, o vento sozinhoou combinado com a energia do motor da embarcação pode serutilizado para gerar a energia que irá fazer o compressorfuncionar. O compressor 55 é acionado diretamente por umsistema de transmissão, de modo que a energia da turbina devento seja usada diretamente, sem necessidade de serprimeiro convertida em eletricidade, o que aumenta aeficiência do sistema.

2. Aplicação insular e em Mar Aberto:

A aplicação insular usa, de preferência, qualquer dosmétodos de energia de ar comprimido descritos acima para co-gerar eletricidade e/ou ar refrigerado. Antes de mais nada,durante o período em que apenas eletricidade sejanecessária, um aquecedor ou calor residual pode serutilizado para pré-aquecer o ar comprimido que entra noturbo-expansor 61 (a cerca de 176,7 °C (350 0F)), a fim deotimizar a geração de eletricidade com consumo reduzido dear comprimido e, essencialmente, sem ar refrigerado oriundodo turbo-expansor. Contudo, durante o tempo em que senecessita tanto de eletricidade quanto de ar refrigerado(para fins de dessalinização e condicionamento de ar), aentrada de calor é, preferencialmente, desligada. Nestecaso, o turbo-expansor gera eletricidade com maior consumode ar comprimido, e o ar refrigerado é expelido como um sub-produto que alimenta o sistema de dessalinização e/ouresfriamento. 0 ar frio que passa pelo sistema dedessalinização pode, também, ser utilizado para resfriar umcondicionador de ar.

Durante o período em que (a) não se necessite deeletricidade, e (b) haja necessidade de ar refrigerado com o objetivo de dessalinização e/ou condicionamento de ar, aentrada do aquecedor é, preferencialmente, desligada. Depreferência, o sistema de reciclagem do tanque de surtodescrito acima pode ser implementado. Neste caso, o turbo-expansor 61 gera, preferencialmente, menos energia elétrica, ou nenhuma, e o ar refrigerado é expelido pelo turbo-expansor 61 para o sistema de dessalinização e/ou derefrigeração. Além disso, qualquer energia elétricaproduzida é reciclada para acionar o compressor alternativo#2, 59. Neste modo de operação, o volume do tanque de surto não é relevante. Uma pressão de equilíbrio é atingida notanque 57 de modo que uma dada energia de entrada docompressor libera um fluxo constante de ar refrigerado. Depreferência, os compressores #1 e #2 funcionamcontinuamente.

3. Cenários do Sistema:

No Cenário #1, mostrado na Figura 4a, há interesse nageração do nível máximo de energia elétrica ao mesmo tempoem que a exaustão do tanque de estocagem 57 é feita em umfluxo mínimo. Isto pode ser alcançado utilizando-se calorresidual de um equipamento próximo (ou radiação solar) ou ocompressor 55 para aquecer o ar pressurizado que alimenta oturbo-expansor 61. A temperatura inicial mais alta, digamoscerca de 148, 9 0C (300 °F), produzirá uma temperatura do arque sai do turbo-expansor 61 ligeiramente menor do que atemperatura ambiente. Assim, embora haja geração deeletricidade, não há co-geração útil de ar refrigerado. 0material do rotor do turbo-expansor 61 nas pontas de altavelocidade do impulsor rotativo deve ser titânio.

No cenário #2, mostrado na Figura 4b, há interesse naprodução de energia elétrica e, simultaneamente, de arextremamente frio liberado pelo turbo-expansor 61. Assim, háco-geração de ar refrigerado, que pode ser utilizado emsistemas de condicionamento de ar, refrigeradores, foodlockers e, em uma concretização preferida, sistemas dedessalinização. 0 turbo-expansor 61 pode trabalhar emtemperaturas abaixo de 21,1 0C (70 °F), de modo que éaceitável que o rotor seja feito de alumínio resistente naspontas de alta velocidade do impulsor rotativo.

No cenário #3, mostrado na Figura 4c, não há interesseem produzir energia elétrica, mas sim em obter arrefrigerado a partir do turbo-expansor 61. Sendo assim, háco-geração de ar refrigerado, que pode ser utilizado emsistemas de condicionamento de ar, food lockers,refrigeradores e, em uma concretização preferida, sistemasde dessalinização. O turbo-expansor pode trabalhar emtemperaturas abaixo de 21,1°C (70°F), de modo que éaceitável que o rotor seja feito de alumínio ultra-resistente nas pontas de alta velocidade do impulsorrotativo.

C. Processo de Congelamento Eutético:

Uma tecnologia existente, chamada de método decristalização eutética por congelamento, chamou a atençãonos último anos. No contexto de dessalinização de água domar contendo sais, o processo eutético de cristalização porcongelamento beneficia-se do processo de congelamento e dodiagrama de fases da solução de água salgada, como mostradona Figura 20.

A água pura começa a solidificar em 0°C (32°F),enquanto uma solução de água do mar com uma concentração desal de 3,5% começará a congelar perto de -1,9°C, e o geloque se forma é, essencialmente, livre de sal, com umadensidade aproximadamente igual ao formado por água doce. Amenor temperatura na qual uma solução de água do marpermanecerá sob a forma líquida é - 21,2°C ou cerca de -6,2°F. A água doce contida na água do mar começa a congelarantes de atingida esta temperatura, formando cristais degelo; naquela temperatura, porém, não só a água docecongela, mas a solução salina começa a cristalizar,juntamente com o gelo, sob as formas de cristais de NaClpuro e diidratado (NaCl. 2H20) , até que a parte liquida dasolução congele totalmente. A solução congelada é umamistura de cristais de NaCl puro e diidratado, NaC1.2H20,bem como dos cristais da água doce original congelada. Estafronteira entre a mistura bifásica, mais quente, e a misturamonofásica heterogênea, mais fria, é chamada uma misturaeutética.

0 ponto no qual uma mistura eutética está em equilíbriocom a solução é um ponto de calibração excelente para umaescala de temperatura quando há apenas um soluto salino naágua. Cada soluto tem suas próprias temperatura econcentração eutéticas. Isto se deve ao fato de que umamistura com duas fases (gelo-água doce-gelo e água do mar) euma fase sólida é estável em uma dada temperatura, que éúnica para cada soluto em particular. Se existe umatransição de duas fases para uma fase sólida, a temperaturadeve ser igual a -21,2 0C (ou - 6,2 °F).

A seqüência de etapas no processo de cristalização porcongelamento na temperatura eutética pode ser explicada combase em um diagrama de fases água-sal típico, como omostrado na Figura 20. Se uma solução de água do mar forresfriada abaixo da temperatura de congelamento,identificada pela linha de equilíbrio Iiquidusf cristais degelo começarão a se formar. Essa linha tem uma inclinaçãoque mostra que a temperatura de congelamento da água do mardepende da concentração de sal na solução. Por exemplo,quando a concentração de sal é igual a 0 (zero), atemperatura de congelamento é igual a 0 °C (32 °F) . Mas,quando a concentração de sal aumenta, ao se percorrer alinha de equilíbrio de fases liquidus no sentidodescendente, a temperatura na qual os cristais de elocomeçarão a se formar diminui. Por exemplo, quando aconcentração de sal na solução é igual a 10%, a temperaturade congelamento é menor, algo entre -9,4 e -6,7 °C (15 a 20°F). Então, continuando-se o resfriamento, à medida que maisgelo se forma, a solução de água do mar se torna maisconcentrada em sal. Sendo assim, sua composição varia aolongo da curva liquidus até atingir o chamado pontoeutético, no qual a solução está saturada em sal(concentração de sal igual a 23,3%). Nesta concentração, oscristais de gelo irão se formar quando a temperatura forigual à do ponto eutético, que é de cerca de -21,2 °C (-6,2°F) . Continuando o resfriamento abaixo de -21,2 °C (-6,2°F), o resultado será a formação de uma mistura de trêssólidos: 1) cristais de gelo de água pura, 2) cristais desal puro, e 3) cristais de sal hidratado puro, formando umasó fase, que não permite separação. O ponto eutético do NaClé -21,2 °C (-6,2 °F), e a composição eutética é de 23,3%.Na presente invenção, a massa de gelo se forma,preferencialmente, em uma temperatura ligeiramente acima dado ponto eutético, para evitar a cristalização do sal. Logo,preferencialmente, é utilizada apenas a área acima da linhade equilíbrio de fases solidus (abaixo da concentração de23% de sal), que representa a região do diagrama de fasesacima da temperatura EFC. A região mais à esquerda dodiagrama de fases (0% de sal) representa a formação degelo/neve puro, e a região central representa a soluçãosalina. A região na extrema direita do diagrama de fases e aregião abaixo da linha de equilíbrio solidus incluemcristais de gelo puro, cristais de "sal e água dehidratação" puros e cristais de sal puro em uma única fasesólida, que não permite separação entre os componentes e nãoé utilizada no presente sistema.

Análises de RMN realizadas pelo Dr. Herman Cho daPacific Northwest Laboratories mostraram que, quando umasolução de sal é congelada abaixo da temperatura eutética,ela retorna "imediatamente" à sua condição bifásica seaquecida a uma temperatura maior do que a eutética. Este éum dado importante para descrever o comportamento degotículas muito pequenas na câmara de cristalização.

Deve-se considerar que a água do mar padrão, oriundados oceanos, contém outros minerais e impurezas, além dosal, como mostrado na Figura 7, que apresenta a composiçãopadrão de água do mar. Para cada componente, é dada aporcentagem em peso e a temperatura eutética. Por outrolado, a Figura 8 representa os requisitos para uma águapotável pura. Geralmente, quando uma água do mar contendo 3%de sal é tratada e atinge uma concentração de sal de 0,03% éconsiderada potável. Considera-se água doce toda aquela emque a concentração de sal é menor do que 0,05%, enquanto otermo água salobra, é utilizado para águas com concentraçõesde sal entre 0,05% e 3,0%. A expressão água salina é usada,geralmente, para águas com concentração de sal entre 3,0% e5,0%, e o termo salmoura, para águas com concentração de salacima de 5,0%. Como já dito, o termo "água do mar" estásendo usado neste documento para qualquer água que necessiteser purificada, seja oriunda do mar ou não.

Observe-se que, ao utilizar a temperatura eutética de -21,2 °C (ou -6,2 °F) para extrair cloreto de sódio (NaCl) , oprocesso de cristalização deixará os seguintes minerais:cloreto de cálcio (1,36 g/litro de solução) e cloreto demagnésio (4,66 g/litro de solução). Estes são dois produtos,que podem ser retirados para beneficio econômico posterior.Se houver interesse na remoção de outros minerais, tais comocloreto de potássio, sulfato de magnésio e bicarbonato desódio, é necessário um controle mais cuidadoso datemperatura de derretimento para garantir que essescompostos não congelem junto com a água, mas permaneçam nasolução salina resultante, a fim de serem recuperados pormeio de um processamento adicional. Quando o objetivo finalé água doce potável, a presente invenção utiliza filtrospara remover o máximo possível das impurezas contidas naágua do mar, antes dela passar pelo processo dedessalinização. A invenção permite o aproveitamentoeconômico de quaisquer dos outros minerais.

Muito pouca informação foi publicada sobre o métodoEFC, possivelmente 'devido à alegada complexidade dessemétodo em comparação com as técnicas convencionais quecompetem com ela, como a cristalização por evaporação e acristalização por resfriamento. Com o avanço da tecnologiade coluna de lavagem e a aplicação em larga escala dacristalização por fusão como uma técnica de ultra-purificação, as principais desvantagens previstas para aEFC, relativas a custo do investimento e limitações deescala, foram ultrapassadas. Chegou a hora de considerar suaaplicação comercial.

Como discutido acima, o processo de EFC da presenteinvenção difere dos outros processos pelo fato de envolver aformação de cristais de gelo de água pura, que podem serseparados das impurezas que ficam na água-mãe. É importanteque as gotículas congelem para formar uma solução bifásicade partículas sólidas de gelo e líquido salino. Por isto édesejável que as gotículas alcancem a temperatura eutética,ou próxima, ainda no ar. Por outro lado, se as goticulas setornarem muito frias (temperatura abaixo da eutética)enquanto passam pela câmara, a água doce contida nelaspoderá congelar junto com os cristais de sal e com a soluçãosalina sólida. Neste caso, não será possível separar o salda água doce.

Isto pode acontecer, por exemplo, quando a água do marpulverizada consiste de goticulas de tamanhos variados, casoem que as goticulas menores podem atingir uma temperaturamenor do que a eutética e congelar completamente ao atingiro fundo da câmara. Com relação a isto, considere-se que opulverizador projetado para dispersar uma nuvem de goticulascom diâmetro médio próximo de 4.000 micra irá gerar tambémuma fração menor de massa flutuante, mas um número enorme degoticulas com diâmetro na faixa dos 400 micra. Estaspartículas menores têm uma velocidade de sedimentação dezvezes menor e terão um tempo de residência dez vezes maior.Além disto, essas partículas congelarão mais rapidamente eem temperaturas bem abaixo da do ponto eutético quandointeragirem com o fluxo de ar local que sai dospulverizadores a -92,8 °C (-135 °F) ou -115 °C (-175 °F) naconfiguração em fluxos paralelos. Embora os pulverizadoresusuais espalhem partículas de diâmetro maior, sempre haverápartículas menores, com uma distribuição de tamanhos em umacerta faixa. As partículas menores devem ser numerosas, masnão contribuirão para uma massa muito grande no final.

Assim, as pequenas gotículas que descem sob um regimede temperatura extremamente baixa irão, na verdade, causaruma cristalização indesejada gerando uma partícula sólidacomposta por (1) gelo de água doce, (2) sal sólido, em quecada molécula de sal se liga a duas moléculas de água dehidratação, e (3) cristais sólidos de sal. Durante apassagem das pequenas partículas pelo ar frio não háseparação da solução salina e da água doce. Mas, como serádiscutido adiante, a separação ocorrerá quando a gotícula sedepositar sobre a massa de partículas de gelo acumulada,criada pelas gotículas grandes no fundo da câmara, que tem,preferencialmente, uma temperatura de equilíbrio maior doque a eutética.

As partículas muito pequenas, com diâmetros da ordem depoucas centenas de micron, podem congelar completamente (atéo seu centro) quando expostas ao ar com temperatura muitomenor do que a eutética, na região próxima do pulverizador.Quando essas pequenas gotículas se depositam sobre a massamais quente, de gelo/neve, no fundo da câmara decristalização, elas serão aquecidas, preferencialmente, emtorno da temperatura de equilíbrio que é ligeiramente maisalta do que a do ponto eutético. Logo, se gotículas pequenassão congeladas abaixo da temperatura eutética, elas irãodescongelar acima desta temperatura. Neste ponto, aseparação usual entre a estrutura sólida porosa de neve/geloe a solução salina liquida (salmoura) irá ocorrer. Noprocesso desta invenção, portanto, pelo menos no fundo dacâmara, a temperatura de cristalização é mantida, depreferência, ligeiramente acima da temperatura eutética decristalização para evitar que o sal cristalize. O resultadofinal é a formação de gelo/neve puro e liquido salinoresidual.

A operação da câmara de cristalização na temperaturaeutética resulta na máxima conversão possível de água do marem água doce, 85,7%. Mas, a porosidade da massa de gelo/nevepode ser maior em temperaturas ligeiramente mais. altas.Sendo assim, sacrifica-se a eficiência da conversão, quepassa a ser menor do que 85,7%, para alcançar uma purezamaior na água doce obtida ao final.

A presente invenção representa uma nova variação dosistema de EFC, no qual ar refrigerado limpo é usado comorefrigerante, e é misturado com uma nuvem de gotículas deágua do mar para fazer com que ela atinja uma temperaturapróxima à do ponto eutético. Deste modo, cristais de gelo deágua pura podem ser formados, e são removidos da soluçãosalina que resta, após o congelamento. Na presente invenção,pretende-se que o sistema trabalhe, na maior parte do tempo,acima do ponto eutético, em especial quando os cristais degelo começam a sedimentar, de modo que a formação decristais sólidos de sal pode ser evitada.

Um dos objetivos da presente invenção é assegurar que aágua do mar seja adequadamente congelada por exposição ao arrefrigerado introduzido em uma câmara de mistura, na qualele é misturado com a água do mar. Para isto, a presenteinvenção contempla a introdução de ar extremamente frio nacâmara de mistura, com a temperatura do ar preferencialmenteentre -92,8 °C (- 135 °F) e -115 0C (-175 °F), seguida depressurização da água do mar e sua injeção na câmara demistura, através de pulverizadores, sob a forma de micro-goticulas de água do mar, as quais podem ser mais facilmentemisturadas, resfriadas e afetadas pelo ar refrigerado. Paraassegurar que ocorra congelamento e separação adequados, éimportante determinar o tamanho, a velocidade e a pressãodas goticulas e como elas são formadas e introduzidas nofluxo de ar refrigerado. É importante também determinar atemperatura, o volume do fluxo e a direção relativa do arrefrigerado, assim como o tamanho da câmara de mistura.

A Figura 9 mostra os regimes de temperatura para asvárias fases de uma goticula de água. 0 Processo Bergeron,assim chamado devido a seu descobridor, Tor Bergeron,envolve goticulas de água super-resfriadas. 0 termo super-resfriadas se refere a água que ainda se mantém no estadoliquido em temperaturas abaixo do ponto de congelamento, 0graus Celsius ou 32 graus Fahrenheit. Pesquisas demonstraramque a água em gotas muito pequenas, como as que caem dasnuvens, podem existir em temperaturas muito abaixo da decongelamento (tão frio como -40 °C ou - 40 °F).

A presente invenção utiliza, de preferência, uma câmarade mistura como as mostradas nas Figuras 14-18 e 25-31, paramisturar o ar refrigerado com as goticulas de água do mar. Acâmara de mistura é, essencialmente, um recipiente,preferencialmente com paredes isoladas, no qual as goticulasde água do mar e o ar refrigerado podem ser introduzidos emisturados até que, coletivamente, eles atinjam umatemperatura próxima (ligeiramente maior) à eutética que,como indicado acima, é de -21,1 °C para a água do mar. Otamanho e a configuração da câmara podem variar, dependendodas necessidades e das capacidades desejadas, como serádiscutido adiante.

Para ajudar a garantir que ocorra uma mistura adequada,a água do mar é, preferencialmente, pressurizada e passadaatravés de um ou mais pulverizadores a fim de formar umjato, que gera uma "chuva" de goticulas de água do mar, ouuma névoa que, de preferência, é introduzida na câmara.

Qualquer das várias configurações de pulverizador épossível, dependendo dos resultados que se deseja alcançar.Pulverizadores de cone cheio formam um jato que cobrecompletamente uma área redonda, oval ou quadrada.Geralmente, o liquido é turbilhonado no pulverizador emisturado com um liquido que não gira e que passa por forade uma hélice interna. O liquido, então, sai por um orifícioformando um padrão cônico. O ângulo do jato e a distribuiçãodo líquido neste padrão dependem do desenho da hélice e dalocalização relativa do orifício de saída. O desenho deste eas proporções geométricas relativas também afetam o ângulo ea distribuição do jato. Pulverizadores de cone cheiofornecem uma distribuição uniforme do jato, com gotículas detamanho médio a grande dependendo do desenho de sua hélice,que apresenta características de passagem e controle degrande fluxo.

A Figura 10 apresenta diversascaracterísticas de pulverizadores. A configuração de conecheio pode ser a que melhor se aplica à presente invenção.Em cada padrão de jato, as menores capacidades (sendo ascapacidades definidas pela menor pressão da gota através doorifício) e o diâmetro do orifício pequeno, produzirão asmenores gotas no jato. As maiores capacidades produzem asmaiores gotas no jato, embora na maioria dos pulverizadores,uma gama de gotículas de diferentes tamanhos (distribuição)seja, inevitavelmente, formada. Por exemplo, um pulverizadorcom DVM de 4.000 micra terá a maioria das gotículas no fluxocom 4.000 micra. Mas haverá um fluxo bem menor de partículascom o diâmetro menor, de 400 micra. O diâmetro volumétricomediano (DVM) baseia-se no volume de liquido pulverizadosendo, portanto, uma medida amplamente aceita. A Figura 11mostra a faixa de tamanhos de gotas possíveis por tipo depulverizador.

Observe-se que em uma concretização da presenteinvenção, haverá mistura entre a água do mar que entra e oar refrigerado, em que cerca de 113,4 kg/min (250 libras porminuto (250 #/min)) de água do mar podem ser processadas comuma quantidade pré-determinada de ar refrigerado, a qual foicalculada como sendo aproximadamente 202,5 m3/min (7.151 péscúbicos padrão por minuto (7.151 SCFM)). Neste caso,teoricamente, serão recuperados cerca de 97 kg/min (214#/min) de gelo (água doce). Com base em uma eficiência doturbo-expansor de 9,9 SCFM/hp e uma eficiência do compressorde 2,2 SCFM/hp, há uma energia de alimentação de 7,1 kW paragerar 453,6 g/min (uma libra por minuto) de água doce.

A fim de transferir cerca de 5 toneladas (11.000libras) de água do mar em 120 minutos, o pulverizadorescolhido deve passar um mínimo de 40,7 L/min (10,76 galõespor minuto). Assim, um pulverizador de cone cheio comcapacidade de 45,4 L/min (12 galões por minuto) e 4.300micra de DVM pode ser aplicado àquela concretizaçãoexemplificada. Observe-se que uma chuva forte consiste departículas com DVM de 2.000 a 5.000 micra. Gotículas comdiâmetro maior do que 8.000 micra fragmentam-se sob um ventorelativo. Neste exemplo, o volume do fluxo pode determinar oprojeto do equipamento, inclusive o tamanho dospulverizadores e a pressão operacional deles; e, portanto, otamanho das goticulas de água do mar, nos casos em que sejanecessária uma dada taxa de produção de água doce. Em outrosexemplos, os tamanhos dos pulverizadores e das goticulas deágua do mar podem ser determinados com base nascaracterísticas otimizadas que se deseja atingir, para amáxima eficiência do equipamento na produção de água doce.

O tamanho das goticulas de água do mar deve sercontrolado, tanto quanto possível, e pré-determinado, paragarantir que ocorram uma mistura e uma transferência decalor adequadas, que auxiliem o congelamento apropriado. Depreferência, as goticulas precisarão somente de um pouco detempo para congelar completamente, da superfície externapara o centro. Um exemplo disto pode ser observado na Figura12. Isto pode ser função do tamanho da gotícula, assim comoda temperatura, do volume do fluxo e da direção do arrefrigerado - que também é função do tamanho da câmara - edo tempo durante o qual as goticulas são expostas ao arrefrigerado, ou seja, do tempo de residência. As goticulasdevem ser suficientemente pequenas para serem rapidamentecongeladas, mas grandes o bastante para cair no fundo dacâmara, não obstante o fluxo de ar refrigerado.De um modo geral, o tamanho da goticula pode serafetado pela pressão usada para forçar a água do mar atravésdos bicos do pulverizador. Quanto maior a pressão, menortenderá a ser o diâmetro da goticula; e, quanto menor apressão, maior tenderá a ser o diâmetro da goticula. Porexemplo, quando for usada uma pressão de 1,9 atm (28 psia)as goticulas tenderão a ser relativamente pequenas,resultando em uma velocidade de descida de, aproximadamente,7,9 m/s (26 ft/s) , sob pressão de 1 atm (14,67 psia). Poroutro lado, a uma pressão menor, digamos, cerca de 1,1 atm(16 psia), as goticulas tenderão a ser maiores, resultandoem uma velocidade de descida de aproximadamente 2,5 m/s (8,3ft/s), em 1 atm (14,67 psia). No entanto, na maioria dospulverizadores, nem sempre é possível controlarcompletamente o tamanho de cada goticula de água do marformada. Assim, a presente invenção tem que levar emconsideração a possibilidade de que vários tamanhos degoticula serão formados. Contudo, os pulverizadores sãoprojetados para um determinado tamanho nominal de goticula.Estatisticamente, o tamanho nominal da goticula será o valormediano (DVM), com uma distribuição em forma de sino típica.Para os pulverizadores de qualidade, a distribuição normalserá relativamente estreita e alta, de modo que a maioriadas partículas terão tamanho próximo ao valor mediano. Aregião externa à curva, acima e abaixo da média, não teráefeito significativo sobre o desempenho do sistema dedessalinização.

Outra consideração necessária é relativa à velocidadedo fluxo de ar refrigerado na câmara. Não só o tamanho dagoticula, mas também quanto tempo ela ficará exposta esuspensa no ar refrigerado e como ela circulará no interiorda câmara de mistura, dependerão das velocidades relativasdas goticulas e do ar refrigerado. Ou seja, a velocidade comque as goticulas caem no fundo da câmara pode ser modificadaajustando-se a direção e a velocidade do fluxo de arrefrigerado na câmara, como será discutido adiante. Comrelação a isto, a direção relativa do jato de água do mar edo ar refrigerado que estão sendo introduzidos na câmarapodem contribuir para a formação adequada de cristais degelo. A este respeito, a presente invenção contempla tanto oarranjo em contra-corrente, quanto o arranjo em correntesparalelas.

D. Contra-Corrente:

Para se conseguir um arranjo em contra-corrente, o arrefrigerado e o jato de água do mar são introduzidos nacâmara em direções opostas. Isto pode ser feito, porexemplo, pulverizando-se a água do mar para baixo, enquantoo ar refrigerado é introduzido no sentido da parte superiorda câmara. Este arranjo é mostrado nas Figuras 16-18 e 25-30. Com a contra-corrente, usando-se um jato descendente deágua do mar e um fluxo ascendente de ar refrigerado, éimportante considerar o efeito de fluxos opostos no caminhoem que as goticulas circulam, congelam-se e se depositam na câmara. Em cada caso, a diferença entre as velocidades dosdois fluxos, levando-se em conta os efeitos da gravidade, otamanho das goticulas, a temperatura e volume do fluxo de arrefrigerado, e o tamanho da câmara, pode ajudar a determinara extensão em que as goticulas de água do mar devem circular a fim de se obter resfriamento, congelamento e deposiçãoadequados das goticulas. Elas devem cair no fundo da câmarapara começar a formar uma massa de gelo em tempo curto, istoé, em menos que uns poucos segundos.

Sendo assim, ao considerar um arranjo em contra- corrente, é necessário calcular a velocidade final de quedadas goticulas de água do mar sujeitas ao fluxo ascendente dear refrigerado. Uma correlação de velocidade final de quedade goticulas de água no ar é apresentada na Figura 13. Aspartículas de menor diâmetro (mostradas abaixo da linha), em vários casos, irão subir e poderão ser jogadas para fora dosistema. Logo, de preferência, o pulverizador deve serconfigurado de modo a não produzir goticulas muito pequenas.Contudo, na maioria dos pulverizadores, uma certa quantidadede goticulas de água do mar será, inevitavelmente, pulverizada sob a forma de micro-goticulas, que tenderão asubir, embora, preferencialmente, estas representem umafração muito pequena da água do mar que está entrando.

Deve-se estar atento para utilizar cerca de 202,5m3/min (7.151 SCFM) de ar refrigerado e uma câmara com áreatransversal da coluna vertical de 2,3 m2 (25 ft2), na qual avelocidade de subida vertical do ar refrigerado foideterminada como sendo de cerca de 1,45 m/s (4,77 ft/s).

Neste caso, considerando-se os dados que levaram à Figura13, observou-se que as goticulas de água do mar maiores doque 325 micra tenderão a assentar-se adequadamente, devagar,através de um fluxo ascendente de ar refrigerado com aquelavelocidade. Observando-se o gráfico da Figura 13, noentanto, chegou-se à conclusão de que goticulas de água domar com diâmetro de 4.000 micra, com velocidade do arrefrigerado de 13,4 m/s (44 ft/s), serão mais aceitáveis. ADra. Wa Gao relatou o congelamento de goticulas de águasresiduais de pocilgas com tamanhos de 2.800 e 4.200 micra emum tempo médio de cerca de 7 segundos, utilizando arrefrigerado a -20 °C (-4 °F) no túnel de vento verticalutilizado por ela. Na presente invenção, contudo, asgoticulas de água do mar congelam, preferencialmente,passando da temperatura ambiente - isto é, 4,4 0C (40 °F) -,até perto da temperatura eutética, -21,2 °C (-6,2 °F), emmuito menos tempo, cerca de 0,2 segundo, desde que se use arrefrigerado em temperaturas entre -92,8 0C (- 135 °F) e -1150C (-175 °F).

As goticulas maiores, com diâmetro da ordem de 4.000micra, levarão mais do que 0,2 segundo para congelarem até ocerne, considerando-se a mesma temperatura do arrefrigerado. A principio, quando a goticula estiver àtemperatura de 4,4 0C (40 °F) e o ar entre -115 0C (-175 °F)e -92,8 0C (-135 °F), será possível haver uma grandetransferência de calor e apenas 0,2 segundo será suficiente.No entanto, este cálculo não é totalmente preciso, pois hátroca de calor à medida que a temperatura das goticulasdiminui e a do ar aumenta. Além disso, admite-se que asgoticulas interagem com todo o ar necessário para garantiruma adequada troca de calor. Mas, os dados de congelamentode goticula relatados pela Dra. Gao respaldam este pequenotempo de congelamento para uma goticula, isolada, emcorrentes de ar mais quentes. Considere-se o exemplo detempo de residência na câmara em contra-corrente, onde umagoticula com 4.000 micra de diâmetro e velocidade de descidade 13,4 m/s (44 ft/s), encontra o ar refrigerado que sobe acâmara com uma velocidade menor, de 1,2 m/s (4 ft/s) . Agoticula descerá através de uma altura vertical de 3,0 m (10pés) durante 10 pés / (44 ft/s - 4 ft/s) = 0,25 segundo.Assim, é de se esperar que as goticulas maiores não farão atroca de calor necessária antes de se depositar sobre amassa de gelo/neve e completar a troca de calor paraalcançar a temperatura de equilíbrio, que é de -21,1 0C (-6°F) .

Pode-se observar também que, quanto maior o tamanho dagoticula, maior poderá ser a velocidade usada na câmara emcontra-corrente para subida do ar refrigerado, capaz depermitir que as gotículas caiam no fundo da câmara em umtempo relativamente curto que, nos exemplos aquiconsiderados foi de aproximadamente 2,5 segundos. Com umtamanho maior de goticula, mais tempo ela levará paracongelar até o cerne, considerando-se a mesma temperatura doar refrigerado. É desejável que a temperatura do arrefrigerado seja relativamente baixa e que a velocidade doseu fluxo seja relativamente alta para que a taxa detransferência para a goticula seja alta.

Embora os bicos do pulverizador sejam, geralmente,direcionados para a parte inferior da câmara, através deorifícios localizados nas paredes desta, como mostram asFiguras 16-18, o ar frio tenderá a subir devido aorespirador existente no topo da câmara. Sendo extraído peloalto, o ar refrigerado introduzido na câmara flui somentepara cima, de modo que este fluxo pode ser usado para criara contra-corrente em relação às gotículas que descem. Estatrajetória fornece o tempo de residência mais longo epermite a coalescência das gotículas que colidem. A entradado ar refrigerado localiza-se nos lados da câmara de modoque as goticulas grudam no mecanismo de injeção. Na pesquisafeita com congelamento de goticulas, o ar refrigeradoascendente foi injetado com velocidade de subida igual à dedescida da goticula de modo que esta permanecesse fixa paraque se pudesse observar as propriedades da goticula duranteo congelamento.

A velocidade de sedimentação das goticulas e a rapidezdo processo de congelamento também determinam a altura dacâmara de sedimentação. Usando-se o arranjo em contra-corrente, quanto mais alta a câmara de mistura, mais tempoas goticulas levarão para chegar ao fundo e, portanto, maiorserá o tempo de exposição das goticulas ao ar frio paracongelarem. Além disto, o diagrama de fases é um diagrama deequilíbrio, que considera ter havido tempo suficiente parapermitir a separação das diferentes fases. A construçãofinal da câmara de sedimentação, portanto, é determinada, depreferência, com base na eficiência do sistema na separaçãode fases. Se a estimativa desta for muito otimista, pode sernecessário reduzir a vazão de água do mar através dopulverizador, ou aumentar a altura da câmara desedimentação, ou o volume do fluxo de ar refrigerado, etc.

É desejável assegurar também que as partículas de gelose mantenham separadas no ar, de modo a congelaremapropriadamente antes de se depositarem e coalescerem nofundo da câmara para formar uma massa de gelo. Se duas oumais partículas de gelo se agregarem durante a descida, elastenderão a formar goticulas maiores, que necessitarão demais tempo e mais resfriamento para congelar. Assim, aoutilizar o arranjo em contra-corrente é desejável formargoticulas de água do mar suficientemente separadas para que,ao serem pulverizadas elas não se juntem no ar.

Outros pesquisadores já examinaram duas gotas de chuvacolidindo devido à força de atração entre elas. Elesconsideraram goticulas com diâmetro de 20 micra e separaçãoinicial de, aproximadamente, 10 vezes o diâmetro delas, aoinvés da hipótese usual de 50 vezes o diâmetro. A separaçãode 10 diâmetros produz uma distribuição mais densa dasgoticulas, que levará a uma maior tendência à coalescência,ao crescimento da gota e à formação de chuva.

Com base nestas proporções, se a separação entre aspartículas for de 25 vezes seu diâmetro, e este for de 4.000micra, a separação preferida será de 100.000 micra. Istosignifica que haverá 1 partícula em um cubo de 10 cm X 10 cmχ 10 cm ou, 1 partícula por litro. 0 cálculo acima significaque a distribuição desta nuvem deverá ser alcançada em umacâmara com altura de 312,7 m (1.026 ft) e 2,3 m2 (25 ft2) deárea da seção transversal, onde esta nuvem estática terá umadensidade de 1 partícula por litro de ar. Se houver estadistribuição de goticulas em uma nuvem em grande altitude,as goticulas cairão no chão sem colidir durante seu trajetode descida.

Se a separação entre as partículas for de 10 vezes oseu diâmetro, e este for de 4.000 micra, a separação entreelas será de 40.000 micra. Com base no cálculo acima, adistribuição desta nuvem deverá ser alcançada em uma câmaracom altura de 79,2 m (260 ft) e 2,3 m2 (25 ft2) de área daseção transversal. Se houver esta distribuição de goticulasem uma nuvem em grande altitude, as goticulas cairão nochão, mas possivelmente irão colidir durante a trajetória dequeda.

No entanto, ao se introduzir um pulverizador, queproduz constantemente uma nuvem de goticulas de água do mar,e promover uma sedimentação contínua por meio de um fluxo dear movendo-se lentamente para cima, com um fluxo de até 1,2m/s (4 ft/s), observou-se que a altura da câmara desedimentação pode ser bem menor. Além disso, quando se usauma gotícula com diâmetro de 4.000 micra, ela não seráafetada significativamente pela direção do fluxo ascendentede ar e, portanto, tenderá a se depositar no fundo da câmarade cristalização, onde completará sua troca de calor esofrerá alguma drenagem em uns poucos segundos. Mas, quandose utilizam goticulas com diâmetros de 200 micra ou menos,elas tenderão a sedimentar muito lentamente, com umavelocidade de descida de cerca de 0,6 m/s (2 ft/s). Logo, asgoticulas poderão até não se depositarem no fundo da câmarade cristalização. Neste caso, portanto, poderá sernecessário garantir que as goticulas tenham diâmetrosmaiores do que, pelo menos, 400 micra. Apesar disto, naextremidade mais baixa do espectro de tamanhos, essasgoticulas menores terão um tempo de residência maior, ouseja, provavelmente maior do que 2,5 segundos. Além disto,como será discutido mais tarde, as goticulas formarão umamassa de gelo mais poroso quando depositadas nastemperaturas mais baixas associadas ao ar que chega no fundoda câmara de cristalização.

Estas são desvantagens inerentes ao arranjo em contra-corrente uma vez que o fluxo ascendente de ar refrigeradofaz com que as goticulas sejam forçadas para cima e circulempor mais tempo. Isto facilita a colisão entre as goticulas ea agregação delas se a câmara não for suficientemente grandee/ou se a densidade de goticulas for muito alta.

A Figura 16 mostra um exemplo de um sistema em contra-corrente com remoção do gelo em batelada, no qual o arrefrigerado é injetado do meio da câmara principal 141, eflui para cima. A Figura 16 mostra um corte da câmaraprincipal 141, com tubos 143 e/ou cavidades se estendendo aoredor das paredes dela, 145, por onde circulam a água do mare/ou ar comprimido aquecido com o objetivo de troca decalor, como será discutido. Esta concretização mostra que oar comprimido pode ser gerado pelo turbo-compressor 148, eser liberado e expandido pelo turbo-expansor 150, de modoque o ar resfriado produzido possa ser introduzido na câmara141 próximo ao meio 140. Podem-se utilizar também outroscompressores, trocadores de calor, etc., como discutidoanteriormente.

Preferencialmente, o ar refrigerado oriundo do turbo-expansor 150 é direcionado para cima, como resultado de suaaspiração no topo da câmara 141, ou seja, o fluxo de arrefrigerado começa aproximadamente no ponto médio 140 dacâmara 141 e é extraído pelo topo dela. A temperatura, apressão e o fluxo de ar refrigerado são, preferencialmente,pré-determinados e dependem dos fatores aqui discutidos.

A água do mar pré-resf riada, que é filtrada e feitacircular pelas paredes da câmara, como será discutido, éintroduzida na câmara 141, de preferência, através de umconjunto de um ou mais pulverizadores, 142, para formar umjato de gotículas de água do mar sob a forma de uma nuvem degotículas. Esta é injetada na câmara, de preferência, porcima, do topo 147 da câmara 141, em direção descendente. Atemperatura, a pressão e o fluxo das gotículas de água domar são, preferencialmente, pré-determinados, e dependem dosfatores aqui discutidos.Esta configuração permite que o ar refrigerado e asgoticulas de água do mar sejam introduzidas em direçõesopostas no interior da câmara 141, e circulem de modo que asgoticulas podem ser resfriadas ainda mais pelo arrefrigerado, através de troca de calor dentro da câmara. Ospulverizadores 142 são projetados, preferencialmente, paradistribuir as goticulas em direção ao centro, de modo que aspartículas de gelo sejam mantidas longe das paredes dacâmara, e que a massa de gelo tenda a se formar no centro dacâmara, sob a forma de um cone invertido. Nestaconcretização, permite-se que o ar refrigerado extraídodeixe a câmara 141 através de um exaustor colocado no topo,147, de modo que este ar purgado possa, então, ser utilizadopara outros propósitos de refrigeração como, por exemplo,condicionamento de ar.

De preferência, a água do mar que entra com temperaturamais alta e/ou o ar aquecido que sai do turbo-compressor 148circulam por dentro das paredes da câmara 145 para ajudar aevitar que as goticulas de gelo que se formam na câmara 141se depositem nas paredes 145, e para regular a temperaturadentro da câmara 141, isto é, para ajudar a manter umatemperatura mais estável dentro dela.

A água do mar filtrada pode ser, por exemplo, bombeadapara dentro de tubos 143 e/ou cavidades próximos ao pontomédio 152, de modo que ela circule no sentido ascendenteatravés da metade superior das paredes da câmara 145, epossa sair próximo ao topo, no ponto 153, onde esta água domar pré-resfriada possa ser distribuida pelos pulverizadores142, a fim de ser introduzida na câmara 141. De preferência,faz-se com que a água do mar circule através dos tubossuperiores 143 estendidos ao longo da câmara 141, de modoque esta água do mar circule e seja pré-resfriada portransferência de calor com as paredes frias da câmara 145,antes de ser liberada para dentro da câmara 141 via opurificador 142. Com relação a isto, a água do mar é, depreferência (1) resfriada à medida que circula pelos tubosde entrada 143, que envolvem a câmara principal 141, (2)resfriada à medida que as goticulas de água do mar sãolançadas pelo pulverizador dentro da câmara principal 141, e(3) mais resfriada ainda, quando as goticulas congeladas deágua do mar são depositadas sobre o monticulo para formaruma massa de gelo no fundo da câmara 141.

O ar aquecido oriundo do turbo-compressor 148 pode serintroduzido nos tubos 155 e/ou cavidades, em um ponto baixo154, de modo que ele circule no sentido descendente pelaseção inferior das paredes da câmara 145, e possa sair pelofundo 156, de onde o ar comprimido resfriado possa, então,ser distribuído de volta para o turbo-expansor 150, a fim deajudar a manter o ar comprimido frio. Para isto, os tubos155 são adaptados, de preferência, para manter o arcomprimido neste estado permitindo que o ar expandido peloturbo-expansor 150 seja pré-resf riado, de modo que o arrefrigerado resultante possa se tornar ainda mais frio. Comefeito, o ar comprimido aquecido oriundo do turbo-compressor148 pode circular para evitar que a massa de gelo grude nasparedes da câmara, e para que, à medida que o ar circula,ele seja resfriado por transferência de calor das paredesfrias da câmara O ar pré-resfriado é, então, devolvido aoturbo-expansor 150, onde é super-resfriado e de onde éintroduzido na câmara principal 141, para congelar asgoticulas de água do mar.

A localização dos tubos e/ou cavidades pode sermodificada, isto é, a água do mar pode circular por toda acâmara ou por sua seção inferior, e/ou o ar aquecido podecircular pela câmara inteira ou pela sua metade superior,dependendo das necessidades do sistema. De preferência, amaior parte do pré-resf riamento da água do mar e do araquecido ocorre quando eles estão nos tubos e/ou cavidades.Há, portanto, um meio excelente de transferência de calordentro das paredes da câmara.

O fundo da câmara deve ser, preferencialmente, adaptadopara permitir que a solução salina concentrada sejarecolhida e, depois, removida pelo orifício de purga 158, demodo que a massa de gelo se formará na superfície da soluçãosalina e flutuará, devido à menor densidade do gelo e àmaior densidade da solução salina. Uma cesta 159 pode serposicionada no fundo da câmara, de modo que a massa de gelopossa ser removida com facilidade, sem necessidade deinterromper o sistema. Com relação a isto, o fundo da câmara141 deve ser, de preferência, adaptado com uma abertura, quepermita a remoção da cesta 159, na qual a massa de gelopossa ser fundida para produzir água doce potável.Alternativamente, o fundo da câmara 141 pode ser projetadocom uma porta tipo drop down, por exemplo uma porta comdobradiças, de modo que, sem interromper o sistema a portapossa ser baixada para que a massa de gelo e qualquer restode solução salina coletada possam ser removidos da câmara141. Neste caso há, preferencialmente, um sistema de esteirarolante sob a câmara 141, que permite transportar a massa degelo para o local onde ela será fundida a fim de produzirágua doce potável.

As Figuras 17 e 18 também mostram um sistema em contra-corrente com uma câmara similar, 80, com o ar refrigeradosendo introduzido próximo ao ponto médio 82, e no qual ospulverizadores 84 são adaptados para introduzir a água domar por cima. Esses desenhos mostram mais claramente que aforma da massa de gelo 8 6 que se forma no fundo é a de umcone invertido, em virtude dos pulverizadores 84 estaremdirecionados para o centro da câmara 80. Esta concretizaçãotambém apresenta um tipo de pistão, que pode ser usado paradescer a massa de gelo da câmara quando se quiser removê-la.Ela mostra ainda, que o ponto de entrada, 82, do arrefrigerado deve ser mais alto do que o ponto mais alto quea massa de gelo pode alcançar. Esta é indicada pelareferência "H", que é a distância do fundo da câmara aoponto de entrada do ar refrigerado. Isto é necessário paraassegurar que o ar refrigerado injetado não interfira namassa de gelo e não transfira suas propriedadesrefrigerantes para esta massa ao invés de transferi-las parao ar dentro da câmara de sedimentação 80. O ar injetado deveentrar na câmara de sedimentação 80 e, imediatamente, subirpara o topo dela e interagir com as goticulas de água do marque caem. Δ Figura 18 mostra também que uma unidade deaquecimento separada pode ser incorporada às paredes dacâmara, próximo ao fundo, para evitar que a massa de gelo equaisquer partículas de gelo que caiam, congelem sobre asparedes da câmara.

Há uma zona no fundo da câmara de sedimentação, abaixodo ponto de injeção de ar refrigerado, que possui um regimede ar morto, onde o ar forma redemoinhos. Estes irãoconsumir algum ar refrigerado e devolver ar turbilhonadopara o fluxo principal de ar, ascendente. Devido ao fato deque os redemoinhos podem manter, de modo indesejado, a massade gelo e a solução salina abaixo da temperatura eutética,resultando em cristalização de uma parte do sal e seudepósito no fundo da solução salina, o valor de H deve serdeterminado de modo a garantir que a massa de gelopermanecerá na temperatura apropriada que, de preferência,deve ser ligeiramente maior do que a do ponto eutético.

Observe-se que a forma preferida para a massa de gelo que seforma é cônica, embora qualquer outra forma que permita asaida da solução salina pelos lados ou por baixo, pelos seusporos, possa ser utilizada, como será discutido adiante.Esta forma facilita o depósito dos cristais de gelo e aliberação da solução salina associada a cada cristal.

É desejável, também, manter um intervalo anelar liquidoem torno da borda da massa de gelo enquanto ela se forma, epara facilitar seu deslocamento durante a remoção. À medidaque as goticulas se depositam sobre a massa de gelo, esta sesepara em duas fases: cristais de gelo e solução salina.Devido à superfície cônica da massa de gelo, o líquido podeescorrer pela massa e sair em direção às paredes da câmarade sedimentação. Sendo assim, é desejável que haja um espaçolivre entre a massa de gelo e a câmara de sedimentação, afim de que o líquido drenado saia da massa de gelo emdireção à solução salina embaixo. Além de construir umsistema de troca de calor utilizando tubos e/ou cavidadesnas paredes da câmara, como discutido acima, pode-se colocarum aquecedor local na parede da câmara de sedimentação, nofundo da câmara, o qual pode ser ligado para fornecer oaquecimento local suficiente para manter o intervalo vazionecessário.

As Figuras 17 e 18 mostram um pistão, que pode serutilizado para descer a massa de gelo, a fim de que elapossa ser removida da câmara 80, onde o intervalo anularvazio pode facilitar o movimento da massa de gelo através dacâmara de sedimentação. A altura desta câmara é projetada,de preferência, para fornecer o tempo de residência quefacilite a transferência de energia de resfriamento do arpara as goticulas de água do mar durante um período de tempoavaliado em segundos. Contudo, a separação principal do geloda solução salina ocorre sobre a massa de gelo, onde elapermanece por intervalos de tempo maiores, de minutos atéhoras.

E. Arranjo de Correntes Paralelas:

Além de ar refrigerado subindo, no sentido contrário aodas goticulas que caem, ou seja, em "contra-corrente", comonos sistemas discutidos acima, outras concretizações foramdesenvolvidas, nas quais o ar refrigerado é injetado namesma direção das goticulas de água do mar, chamadas de "emcorrentes paralelas". Este arranjo é mostrado nas Figuras14-15 e 31-34. As vantagens e desvantagens de ambos osarranjos são discutidas neste documento.Um fluxo descendente de ar refrigerado na câmara évantajoso porque o ar encontra a água do mar enquanto eleestá na sua temperatura mais baixa, isto é, quando ele estásendo liberado no sentido ascendente, do topo da câmara.Isto expõe as goticulas a temperaturas substancialmente maisbaixas do que a eutética, e auxilia a iniciar rapidamente oprocesso de congelamento instantâneo da água do mar, além deajudar a formar gelo mais rapidamente. Isto ajuda também aevitar que as goticulas se grudem caso colidam, o queacontecerá se a densidade de goticulas for muito alta ou otamanho da câmara pequeno demais.

À medida que as goticulas caem - o que é função daaltura da câmara - e começam a absorver o ar frio, quecongela as goticulas, o ar começa a se aquecer de modo que,quando as goticulas chegam ao fundo, o ar já não está tãofrio como estava ao ser introduzido na câmara. Isto évantajoso porque evita que as partículas de gelo fiquemfrias demais, o que poderia levar a água salgada a congelarinteiramente. Mantendo-se a temperatura da mistura no fundoda câmara ligeiramente acima da do ponto eutético, evita-seque a água salgada congele completamente o que, como serádiscutido adiante, permite que maior quantidade do líquidosalino que envolve as partículas de gelo escorra e se separe delas.O fluxo descendente de ar refrigerado também evita queas goticulas fiquem suspensas no ar por um tempo excessivo,o que pode ocorrer quando o ar é soprado contra as goticulasque caem, como no caso do arranjo em contra-corrente. Aexposição das goticulas ao ar frio por um tempo muito longotorna difícil o controle e a regulagem precisos datemperatura adequada na câmara, bem como da temperatura dasgoticulas, necessárias para manter a consistência adequadano fundo. Por exemplo, em diversas situações, o estado decongelamento da água do mar pode não ser o mesmo em doislocais diferentes da câmara, ou seja, algumas partículas degelo podem acabar sendo expostas ao ar refrigerado por umtempo excessivo e ficar frias demais. Enquanto isto, outraspodem não ser expostas por tempo suficiente e não ficarfrias o bastante. Este problema pode ser amplificado quandoos tamanhos das goticulas diferem ao sair do pulverizador,fazendo com que elas congelem em velocidades diferentes.

Com o processo de fluxos paralelos descendentes, algunsdesses problemas podem ser evitados. No entanto, um pontofraco potencial é que, ao expor as goticulas de água do mara um fluxo de ar refrigerado que tem a mesma direção dasgoticulas que caem, estas podem chegar muito rapidamente aofundo da câmara, o que significa que elas não terão tempo deresidência suficiente para congelar. Uma solução para esteproblema é usar ar super-resf riado, que pode agirrapidamente sobre as goticulas, assegurando que elasalcancem o fundo da câmara na temperatura adequada. Outrasolução é usar água do mar pré-resfriada para formar a nuvemde goticulas, de modo que seja necessário menos tempo paraque elas congelem e/ou cheguem ao ponto eutético e,portanto, necessitem de menor tempo de exposição.

Outra solução, ainda, é regular o tamanho e avelocidade das goticulas de água do mar, e o fluxo de arrefrigerado, de modo que as goticulas não cheguem muitorapidamente ao fundo. Por exemplo, em uma concretização, oar refrigerado em fluxo paralelo pode ser introduzido nacâmara em velocidade reduzida, por exemplo, em velocidadepara baixo, de cerca de 1,2 m/s (4 ft/s) . Assim, à medidaque as goticulas são. introduzidas na câmara, e se elas foremsuficientemente pequenas, elas poderão, de fato, desacelerardurante a descida. Isto ocorre porque, mesmo que asgoticulas sejam emitidas a uma velocidade relativamentealta, se elas forem suficientemente pequenas podem serafetadas, significativamente, pela massa de ar mais lentaque desce. Assim, mesmo que elas tenham uma velocidadeinicial de, digamos, cerca de 7,9 m/s (26 ft/s), sob 1 atm(14,67 psia), elas podem ser freadas por influência de umfluxo de ar muito mais lento.

Contudo, com esta velocidade de fluxo, o tempo deresidência das goticulas que se deslocam pela câmara (istoé, o tempo que uma gotícula leva para cair do alto da câmaraaté o ponto no fundo, onde as goticulas se depositam paraformar a massa de gelo) tenderá a ser relativamente curto.Independente de as goticulas serem relativamente grandes(até 5.000 micra) e ter uma velocidade de sedimentação de16,8 m/s (55 ft/s), ou serem pequenas (200 micra) e ter umavelocidade de sedimentação de 0,6 m/s (2 ft/s), o fluxodescendente de ar de 1,2 m/s (4 ft/s) resultará em um tempode residência de 0,16 segundo para a gotícula de 5.000 micra(10 ft -ξ- (55 ft/s + 4 ft/s) = 0, 16s) , ou de 1,6 segundospara a gotícula de 200 micra (10 ft h- (2 ft/s + 4 ft/s) =l,6s) em uma câmara com altura de 3,0 m (10 ft). Neste caso,ainda há necessidade de usar ar super-resfriado e/ou água domar pré-refrigerada, como discutido.

Como já mencionado, o tempo de residência (o período detempo durante o qual ocorrem interação e troca térmicasentre as goticulas de água do mar e o fluxo de arrefrigerado que as circundam) é um, entre os váriosparâmetros chave para controlar o congelamento da água pura(um dos constituintes da gotícula de água do mar) e promovera separação dos cristais de gelo resultantes, da soluçãosalina residual. O tempo de residência depende da velocidadede descida da gotícula de água do mar na câmara dedessalinização, assim como da altura da câmara. Esta alturaé, assim, estabelecida com base nos requisitos de que ocongelamento da partícula de água seja completo e que suaseparação da solução salina residual seja feita.

Considere-se o exemplo em que o turbo-expansor forneceum fluxo de ar a aproximadamente 150 m3/min (5.297 SCFM), eusa uma velocidade vertical de 1,2 m/s (4 ft/s) na câmara decristalização, de modo que esta tem um diâmetro necessáriode 1,6 m (5,3 ft). Considere-se que a altura da câmara sejade 3,0 m (10 ft) . O cálculo a seguir considera um tempo deresidência de 2,5 segundos. O mesmo cálculo pode ser feitopara outros tempos de residência.

Fluxo de ar de 150 m3/min (5.297 scfm)

Velocidade vertical na câmara, 1,2 m/s (4 ft/s)

Velocidade vertical na câmara, 1,2 m/s (240 ft/min)

2,05 m^2 (22,1 ft2)

Diâmetro de 1,6 m (5,3 ft)

Tempo de residência de 2,5 s

Comprimento do caminho de 3 m (10 ft) (altura da câmara)

Também é necessário garantir que as gotículas tenhamespaço suficiente para assegurar que as colisões serãoevitadas. No exemplo que está sendo usado, e fixando-se umarazão entre o diâmetro do ar e o da gotícula de 16:1, atabela abaixo mostra os parâmetros da nuvem dentro da câmarade cristalização para gotículas grandes e pequenas.A tabela superior abaixo mostra que, para umavelocidade de trânsito do fluxo descendente de arrefrigerado de 1,2 m/s (4 ft/s) , a aproximadamente 150m3/min (5.297 SCFM), requer um diâmetro da câmara de 1,6 m(5,3 ft). Para um tamanho de goticula de 4.000 micra emfluxo de ar de aproximadamente 150 m3/min (5.297 SCFM), oespaçamento entre as goticulas é de 16 diâmetros degoticula. Isto corresponde a uma descrição razoável da nuvemcom percursos independentes. A tabela inferior abaixo mostraque o mesmo é verdadeiro para goticulas com diâmetro de 200micra, exceto pelo fato de que há mais delas.

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Para o sistema de fluxos paralelos, uma diferença depressão de 10-psid irá pulverizar uma goticula para dentroda câmara a 6,9 m/s (22,8 ft/s). Uma goticula com diâmetrode 4000 micra tem uma velocidade de sedimentação de 13,4 m/s(44 ft/s) . Logo, a goticula grande irá ser pulverizada paradentro da câmara com uma velocidade muito maior do que avelocidade local do ar, de 1,2 m/s (4 ft/s), e tenderá a sermomentaneamente acelerada de 6,9 m/s (22,8 ft/s) a 13,4 m/s(44 ft/s) . Para um caminho de comprimento de 3,0 m (10 ft)no ar, o tempo de residência deverá ser, então, de cerca de0,25 s. Assim, uma goticula grande, de 4.000 micra, pode sedepositar rápido demais para que aconteça troca de calorentre a goticula e o ar refrigerado, embora a maior partedesta troca possa ter ocorrido se o coeficiente detransferência de calor for grande. 0 fluxo continuo de arfrio sobre a massa de gelo depositada completará a troca decalor.

Para o sistema de fluxos paralelos, uma diferença depressão de 40-psid irá pulverizar uma goticula para dentroda câmara a 13,7 m/s (45 ft/s). Uma goticula com diâmetro de200 micra tem uma velocidade de sedimentação de 0,6 m/s (2ft/s) . Logo, a goticula pequena irá ser pulverizada paradentro da câmara com uma velocidade muito menor do que avelocidade local do ar, de 1,2 m/s (4 ft/s), e tenderá a sermomentaneamente desacelerada de 13,7 m/s (45 ft/s) a 1,2 m/s(4 ft/s). Para um caminho de comprimento de 3,0 m (10 ft) noar, o tempo de residência deverá ser, então, de cerca de 2,5s. Assim, a goticula pequena irá se depositar no fundo dacâmara de cristalização com completa troca de calor, a cercade -21,1 0C (-6 °F) .

Outra consideração que precisa ser feita para aconstrução do sistema é o fato de que pode ser difícilcontrolar com precisão o tamanho exato das gotículas de águado mar emitidas pelo pulverizador. Embora os fluxos e asvelocidades possam ser controladas com precisão, o tamanhoreal da goticula de água do mar não é regulado facilmente.Sendo assim, as características de regulação do sistemadevem ser projetadas levando-se isto em conta. Ou seja,sejam as gotículas pequenas ou grandes, a velocidade damassa de ar, assim como a pressão e a velocidade dasgotículas deve ser controlada, de modo que o resultado finalseja tão consistente quanto possível. Quando as gotículasforem menores, elas tenderão a ser mais afetadas pela massade ar, e menos afetadas pela velocidade original de emissão.Logo, o fato de que elas tenderão a ser carregadas parabaixo a uma taxa menor do que gotículas relativamentemaiores, deve ser levado em consideração. Ao mesmo tempo,quando as gotículas são maiores, elas tendem a ser menosafetadas pela massa de ar e mais afetadas pela velocidade deemissão e pela gravidade. Logo, é preciso considerar o fatode que elas tenderão a ser levadas para baixo a uma taxarelativamente maior.

A este respeito, a presente invenção contempla,preferencialmente, que mesmo gotículas relativamentegrandes, com diâmetros da magnitude de até cerca de 4.000 a5.000 micra, podem ser bastante afetadas pelo fluxo de ar e,portanto, seu tempo de residência pode ser controladosuficientemente. Embora a velocidade com que cada gotículade tamanho distinto cai no fundo da câmara vá ser diferente,dependendo do· tamanho e da massa delas; e, portanto, o tempode exposição de cada gotícula possa diferir, de acordo comseu tamanho, a presente invenção contempla o fato de que ascaracterísticas do sistema podem ser adaptadas paraassegurar que cada goticula seja suficientemente exposta aoar refrigerado e, quando as partículas cheguem ao fundoestejam próximo da temperatura eutética, formem cristais degelo, coalesçam e formem uma massa de gelo; além disso,contempla o fato de que a solução salina seja liberadaadequadamente, como será discutido adiante. Este sistematambém permite o controle empírico do fluxo, pois pode-secontrolar o fluxo de ar comprimido de modo que as condiçõesfinais sejam as desejadas.

CJm dos objetivos do sistema é que a temperatura deequilíbrio final, após as gotículas se depositarem no fundoda câmara, seja sempre ligeiramente maior do que a eutética.Isto significa que, independente do tamanho das gotículas, acondição de circulação dentro da câmara deve ser tal quefaça com que a razão de massa do fluxo de ar refrigeradoacabe por se igualar à razão de massa do fluxo de gotículasde água do mar a fim de que haja a melhor troca de calorpossível. Com isto, o resultado final será que o ar nacâmara e as partículas de gelo que se acumulam estarão natemperatura ideal, ou seja, próximo à temperatura eutética.Contudo, uma vez que não é provável que haja uma troca decalor perfeita, o cenário mais provável é aquele em que o arrefrigerado está mais frio do que a temperatura eutética, ea massa de gelo no fundo estará mais quente que atemperatura eutética, o que é um resultado aceitável.

Logicamente, uma troca de calor adequada tem que levarem consideração o coeficiente de transferência de calor dasgoticulas de água do mar, o qual é difícil de determinar jáque cada gotícula pode ter tamanho diferente. Mais que isto,no interior da própria câmara as goticulas caem, cadagotícula vai se tornando mais fria enquanto o ar vai setornando mais quente. Com isto, a cada instante durante oprocesso, o coeficiente de transferência de calor semodifica. Este coeficiente de transferência entre asgoticulas de água do mar e o ar refrigerado em torno delas éum parâmetro crítico para o controle do congelamento da águapura contida nas goticulas de água do mar, e de suaseparação do líquido salino residual. O coeficiente detransferência de calor é função do diâmetro das goticulas deágua do mar e de sua densidade, da densidade do arrefrigerado, da temperatura de ambos, das goticulas de arrefrigerado e de água, das velocidades relativas dasgoticulas de água do mar e do fluxo de ar refrigerado emtorno delas, e do tempo de residência das goticulas de águado mar no fluxo de ar em torno delas. Os valores destesparâmetros mudarão ao longo do caminho das goticulas, assimcomo também mudará o coeficiente de transferência de calorresultante.A tabela na Figura 35 mostra que a goticula grande, de4.000 micra, terá uma temperatura interna entre -49,2 °C (-56,6 °F) e -13,0 °C (+8,59 °F) em um trajeto de 0,2 segundo,dependendo do coeficiente de transferência de calor. O valordeste coeficiente deverá ser próximo de 50 BTU/(HR SQFT F).

A goticula pequena, de 200 micra, terá uma temperaturainterna entre -84, 9 °C (-120,8 °F) e +4,4 °C (39,9 °F) em umtrajeto de 0,2 segundo, dependendo do coeficiente detransferência de calor. O valor deste coeficiente deverá serpróximo de 50 BTU/(HR SQFT F). Assim, pode-se prever que asgoticulas, grandes e pequenas, estarão entre -49,2 °C (-56,6°F) e -84,9 °C (-120,8 °F), embora seja improvável que istoocorra, uma vez que a temperatura da câmara é mais altapróximo ao fundo, Logo, a hipótese de uma temperatura do arconstante, de -85 °C (-121 °F) é falsa. O que o cálculopretende demonstrar, contudo, é que um trajeto de 4 segundosna câmara de cristalização deve ser capaz de permitir umamistura do ar e das goticulas suficiente para que atemperatura final de equilíbrio do ar seja um pouco menorque -21,1 °C (-6 °F), e que as goticulas estejam a umatemperatura ligeiramente acima de -21,1 °C (-6 °F) ao sedepositarem no fundo da câmara de cristalização. Assim, oresultado final do processo de dessalinização é que asgoticulas que entram diminuam gradativamente suastemperaturas até pouco mais de -21,1°C (-6 °F) e o ar sejagradualmente aquecido até pouco menos que -21,1°C (-6 °F).

Deve ficar claro que as goticulas menores irão congelarpor completo em tempo relativamente curto, já que o ar émais frio no topo da câmara, de modo que não deve haverdemora na conversão da água do mar liquida em sólido. Emboranão seja desejável que as goticulas fiquem frias demais, éaceitável que, ao atingirem o fundo da câmara, as goticulascongeladas se aqueçam um pouco acima da temperatura do pontoeutético devido à temperatura do ar e da massa de gelo. Istoevita o congelamento de cristais de sais e permite que asolução salina seja drenada adequadamente, ao invés de ficarretida na massa de gelo.

No caso das goticulas maiores, contudo, elas serão maisafetadas pelas diferenças de temperatura entre o topo e ofundo da câmara. Mais que isto, com as goticulas maiores, háuma variação maior no modo como as goticulas irão congelar.Ou seja, em relação à exposição a baixas temperaturas, asgoticulas maiores serão mais expostas à temperatura maisfria do exterior para o interior, isto é, o exterior dagoticula ficará mais frio mais rapidamente do que o seuinterior. De um lado, isto pode indicar que o sal tenderá aser forçado em direção ao centro, enquanto a água doce noexterior da goticula começará a congelar. Por outro lado,pesquisas mostraram que, quando a goticula de água atingeuma certa temperatura dentro de seu volume, a água doce nointerior da goticula realmente congela primeiro no centro, ea solução salina mais concentrada fica na superfície externado cristal de gelo.

Outras pesquisas indicam que as gotículas grandescongelarão a partir do exterior, formando uma capa de geloexterna. À medida que esta camada fica mais espessa, devidoao avanço do congelamento, ela aumenta a pressão sobre onúcleo central, líquido, resultando em fissura efragmentação da frágil capa de gelo. O líquido salino,então, flui para o exterior desta capa enquanto ocongelamento avança pelo interior da goticula. 0 núcleointerno líquido, então, cobre o exterior da goticula de águadoce congelada. A conclusão é que, para as gotículas grandeso núcleo líquido, contendo sal, fluirá para o exterior dapartícula congelada de água doce, e se depositará sobreoutras configurações semelhantes de partículas de gelocobertas por líquido salino. A junção dessas esferascongeladas produz uma estrutura porosa, que permite aolíquido salino sair da massa depositada e escorrer, pelasuperfície perfurada, para o recipiente de coleta.

Embora a água pura congele a 0 °C, seu ponto decongelamento pode ser abaixado dissolvendo-se sal na água.Assim, se a mistura for resfriada abaixo do novo ponto decongelamento, cristais de água começarão a se formar. Comoresultado, a solução salina remanescente ficará maisconcentrada, até que o ponto de saturação seja atingido.Esta interseção entre a linha de congelamento e a linha desaturação é chamada de ponto eutético, como mostrado naFigura 6. Abaixo do ponto eutético, além dos cristais degelo, também se formarão cristais de sal. Por isto, naformação da massa final de gelo, a presente invençãotrabalha, preferencialmente, acima do ponto eutético, paraevitar a formação de cristais de sal.

Quando a solução congela, se não houver partículasestranhas presentes, as moléculas de água tendem a formar oarranjo cristalino mais estável. Quando uma solução contendominerais é resfriada até o ponto de congelamento, asmoléculas de água começam a formar cristais de gelo quetendem a excluir as partículas diferentes das moléculas deágua. Por exemplo, à medida que a água do mar congela, o salé excluído porque sua estrutura cristalina é diferente da daágua. Isto é chamado, algumas vezes, de rejeição salina. 0sal forma cristais cúbicos (com quatro lados), enquanto osde gelo são hexagonais, ou de seis lados. Entre todas asmoléculas em um volume de água salgada fria, há algumas queestão próximas às outras, longe dos íons Na+ ou Cl". Essasmoléculas tendem a se unir, enquanto aquelas com íons Na+ ouCl" têm menos tendência a se agregar, ou a permaneceremunidas. Isto produz cristais de gelo de água doce, que seseparam da água liquida ligeiramente salgada. Há 13formações cristalinas diferentes de água congelada,dependendo da temperatura. Algumas delas são bastanteporosas e permitirão que o liquido flua através dos canaisque se abrem nelas.

Em temperatura ambiente, a água liquida se torna maisdensa à medida que a temperatura diminui, exatamente como asoutras substâncias. Mas a 4 °C, logo acima da temperatura decongelamento, a água alcança sua densidade máxima. Assim, àproporção que a água se resfria mais, até seu ponto decongelamento, a água liquida se expande, sob condiçõespadrão, tornando-se menos densa. A razão física para istoestá relacionada com a estrutura cristalina do gelo comum,conhecido como gelo hexagonal. Esta propriedade especial daágua é boa para o processo da presente invenção. À medidaque os cristais de sal se formam próximo à temperatura doponto eutético, eles começam a afundar rumo ao fundo dasolução, enquanto os cristais de gelo sobem para asuperfície. O resultado do processo é uma separação física,que permite que os dois componentes da solução sejamisolados com facilidade.

No processo de fluxos paralelos descendentes mostradonas Figuras 14 e 15, o ar refrigerado é mantido, depreferência, em temperatura extremamente baixa, em torno de-111,1 °C (-168 °F) com uma pressão de descarga deaproximadamente 1 atm (14,67 psia). A faixa preferida fica -92,8°C (-135 °F) e -115°C (-175 °F). Um turbo-expansor deum estágio gerará -92,8°C (-135 °F) enquanto um de doisestágios gerará -115°C (-175 °F) . Este ar refrigerado, depreferência, entra em contato com as goticulas de água domar, que também são injetadas a uma temperatura reduzida,por exemplo, entre -18°C (30 °F) e 4,4°C (40 °F), no topoda câmara de cristalização 101. À medida que a mistura de arrefrigerado e goticulas de água do mar se movem para baixona câmara 101, o ar frio é aquecido pelas goticulas de águado mar e estas são resfriadas pelo ar circulante em fluxoparalelo. Os fluxos de ar refrigerado e de goticulas de águado mar são projetados para resultar em uma temperatura finalde equilíbrio ligeiramente maior do que -21,2°C (-6,2 °F),a temperatura eutética da água do mar. Contudo, uma vez quenão há troca de calor perfeita, pelas razões discutidasacima, é provável que o ar refrigerado que sai da câmaraseja mais frio do que a temperatura eutética, e que asgoticulas sejam ligeiramente mais quentes do que atemperatura eutética, o que é desejável.

Pode haver um intervalp de tempo até que o congelamentose complete. Assume-se que o sistema seja adaptado, a fim deque a água do mar injetada possa alcançar a temperatura de-21,1 °C (-6 °F) ao alcançar o fundo, com um tempo deresidência em torno de 2,5 segundos. Algumas irão congelarmais rápido, outras precisarão dos 2,5 segundos completos,mas o sistema é adaptado, preferencialmente, para que quandoas goticulas cheguem ao fundo, sua temperatura residual e ada massa de gelo resultante estejam ligeiramente acima de -21,1 °C (- 6 °F). Boa parte do processo de troca de caloracontecerá antes que a goticula congele completamente. Outravantagem do sistema em fluxos paralelos é que a câmara decristalização pode ser menor, já que as goticulas congelarãomais rapidamente.

Nas figuras 14 e 15, são apresentados exemplos dosistema de dessalinização em correntes paralelas da presenteinvenção. A Figura 14 mostra um corte da câmara principal101 com os tubos 103 e/ou cavidades em redor das paredes105, por onde a água do mar e/ou o ar comprimido aquecidocirculam através das paredes da câmara. A maior temperaturada água do mar e/ou do ar aquecido vindo do compressor ajudaa evitar que o gelo fique retido nas paredes da câmara, e aregular a temperatura dentro da câmara, ajudando a manteruma temperatura estável dentro dela. Por exemplo, a água domar filtrada pode ser introduzida nos tubos 103 e/ou nascavidades no fundo 110, de modo a circular para cima e aoredor da metade inferior das paredes da câmara, e sairpróximo ao ponto médio 112, de onde a água do mar pré-resfriada pode ser distribuída para o interior da câmara101, em sentido ascendente, pelo pulverizador 108. O araquecido, proveniente do turbo-compressor pode serintroduzido nos tubos 103 e/ou nas cavidades, mais ou menosna altura do ponto médio 114, de modo a circular para cima eao redor da metade superior das paredes da câmara, e podesair pelo topo 116, de onde o ar refrigerado pode serenviado de volta ao turbo-expansor, para ajudar a manter oar comprimido frio.

O calor transferido da temperatura fria dentro dacâmara para os tubos e/ou cavidades que a circundam ajuda aresfriar a água do mar e/ou o ar aquecido, o que auxilia nopré-resfriamento da água do mar antes dela ser pulverizadapara dentro da câmara, e/ou a pré-resfriar o ar aquecidoantes de ele ser refrigerado pelo turbo-expansor eintroduzido na câmara. De preferência, muito do pré-resfriamento da água do mar e do ar aquecido ocorre enquantoeles estão dentro dos tubos e/ou cavidades e, portanto, háum excelente meio para transferência de calor. A localizaçãodos tubos e/ou cavidades para água do mar e/ou ar aquecidopode ser modificada, ou seja, a água do mar pode circularpela câmara inteira, ou pela sua metade superior; e/ou o araquecido pode circular por toda a câmara, ou pela sua metadeinferior, dependendo das necessidades do sistema.O ar resfriado vindo do turbo-expansor é direcionado,preferencialmente, para baixo e introduzido na câmara 101por cima, do topo 107 da câmara 101. A temperatura, apressão e o fluxo de ar refrigerado são, preferencialmente,pré-determinados e dependem dos fatores discutidos aqui. Aágua do mar pré-resfriada, que foi filtrada e circulou pelasparedes da câmara é introduzida nesta, de preferência,através de um conjunto de um ou mais pulverizadores, 108,formando um jato de goticulas de água do mar sob a forma deuma nuvem de goticulas. Esta, preferencialmente, é injetadapela parte de cima da câmara, do topo 109. A temperatura, apressão e o fluxo das goticulas de água do mar são,preferencialmente, pré-determinados e dependem dos fatoresdiscutidos aqui.

Esta configuração permite que, tanto o ar refrigeradoquanto as goticulas de água do mar sejam introduzidas nacâmara 101 com a mesma direção e circulem de modo que asgoticulas possam ser resfriadas pelo ar refrigerado, portroca de calor no interior da câmara. O pulverizador 108 éprojetado, de preferência, para distribuir as goticulas emdireção ao centro, de modo que as partículas de gelo sãoafastadas das paredes e a massa de gelo tende a formar-se nocentro da câmara, sob a forma de um cone invertido. Naconcretização da Figura 14, deixa-se que o ar refrigeradoaspirado saia da câmara 101 por um ponto de escape maisbaixo, 111, para a câmara lateral 113, o que permite que oar refrigerado circule pela câmara 101 no sentidodescendente. O ar saído para o exterior pode, então, serusado para outros fins de refrigeração como, por exemplo,condicionamento de ar. Esta concretização foi desenvolvidapara uso com uma sonda rotativa de extrusão contínua, queajuda a remover a massa de gelo do fundo da câmara. Este éadaptado para permitir que a solução salina concentrada sejarecolhida e depois, removida. A massa de gelo se formaráacima da solução salina e permanecerá flutuando devido àmenor densidade do gelo em relação à da solução.

A Figura 15 apresenta um corte do sistema em fluxosparalelos e do sistema de remoção do gelo em bateladas, emque o ar refrigerado é injetado pelo topo da câmaraprincipal. Esta Figura apresenta um corte da câmaraprincipal 121 com os tubos 123 e/ou cavidades que seestendem ao redor das paredes 125 para a circulação da águado mar e/ou do ar comprimido aquecido pelas paredes dacâmara. Esta concretização mostra o ar comprimido sendogerado pelo turbo-compressor 118, e um turbo-expansor 120para liberação e expansão do ar comprimido, com o arrefrigerado sendo introduzido na câmara 121 pelo topo.Compressores e trocadores de calor, etc. adicionais tambémpodem ser incluídos, como já discutido anteriormente.A maior temperatura da água do mar e/ou do ar aquecidoque sai do compressor ajuda a evitar que o gelo fique presonas paredes da câmara, e a regular a temperatura no interiordela, a fim de manter a temperatura estável dentro dacâmara. Por exemplo, a água do mar que foi filtrada pode serintroduzida nos tubos e/ou cavidades no ponto médio 130, pormeio de uma bomba, de modo que ela circule no sentidoascendente em torno da metade superior das paredes dacâmara, e saia próximo ao topo, no ponto 132, onde a água domar pré-resfriada pode ser distribuída pelos pulverizadores122, para introdução na câmara 121. No topo da câmaraprincipal a água do mar circula, de preferência, pelos tubossuperiores 123 estendidos ao redor da câmara 121, onde ocalor relativo da água do mar ajuda a evitar que o gelofique retido nas paredes, 125, da câmara. Deste modo, àmedida que a água do mar circula, ela é pré-resf riada pelatroca de calor com as paredes frias, 125, da câmara, antesde ser liberada na câmara principal 121, através dopulverizador 122.

Embora as gotículas de água do mar sejam resfriadas econgeladas por meio da interação com o ar refrigerado, umaporção significativa da queda de temperatura da água do marpode ser alcançada passando-a através dos tubos 123, quecircundam a câmara 121.Ar quente vindo do turbo-compressor 118 pode serintroduzido nos tubos 133 e/ou nas cavidades no ponto baixo134, de modo a circular no sentido descendente e através daseção inferior das paredes da câmara (onde a massa de gelose junta) e sair pelo fundol36, de onde o ar comprimidoresfriado pode ser re-distribuido para o turbo-expansor 120,a fim de ajudar a manter o ar comprimido mais frio. Comrelação a isto, os tubos 133 são adaptados, de preferência,para manter o ar comprimido neste estado, e permitindo que oar seja expandido pelo turbo-expansor 120 para ser pré-resfriado. Assim, o ar refrigerado resultante pode serresfriado ainda mais. O ar comprimido aquecido, vindo doturbo-compressor 118 ajuda a evitar que o gelo se grude nasparedes da câmara. À medida que o ar circula, ele éresfriado por transferência de calor com as paredes frias dacâmara, de onde o ar pré-resfriado retorna ao turbo-expansor120. Este ar super-resfriado é, então, introduzido na câmaraprincipal 121 para congelar as goticulas de água do mar.

A transferência de calor da temperatura fria nointerior da câmara para os tubos e/ou cavidades ao redordela ajuda a resfriar a água do mar e/ou o ar aquecido. Istoauxilia a pré-resfriar a água do mar antes dela serpulverizada no interior da câmara, e/ou a pré-resfriar o arcomprimido antes de ele ser liberado e refrigerado peloturbo-expansor e introduzido na câmara. De preferência,grande parte do pré-resfriamento da água do mar e do araquecido ocorre enquanto eles estão nos tubos e/oucavidades, e há um excelente meio para transferência decalor da água do mar e do ar aquecido para as paredes e parao ar na câmara. A localização dos tubos e/ou cavidades poronde passam a água do mar e/ou o ar quente pode sermodificada, isto é, a água do mar pode circular pela câmarainteira ou por sua porção inferior; e/ou o ar quente podecircular pela câmara inteira ou pela sua porção superior,dependendo das necessidades do sistema.

0 ar frio oriundo do turbo-expansor é dirigido,preferencialmente, para baixo e introduzido na câmara 121por cima, no topo 127 da câmara 121. A temperatura, apressão e o fluxo de ar refrigerado são, de preferência,pré-determinados e dependem dos fatores aqui discutidos. Aágua do mar pré-resfriada, que foi filtrada e circulou pelasparedes da câmara é introduzida nela, de preferência, pormeio de um conjunto de um ou mais pulverizadores 122, paraformar um jato de goticulas de água do mar sob a forma deuma nuvem de goticulas. Este é injetado na câmara, depreferência, por cima, do topo 127 da câmara 121. Atemperatura, a pressão e o fluxo de goticulas de água do marsão, de preferência, pré-determinados e dependem dos fatoresaqui discutidos.Esta configuração permite que, tanto o ar refrigeradoquanto as goticulas de água do mar sejam introduzidas ecirculem na câmara 121 segundo a mesma direção, de modo queas goticulas possam ser ainda mais resfriadas pelo arrefrigerado, através de troca de calor no interior dacâmara. 0 pulverizador 122 é projetado, preferencialmente,para distribuir as goticulas em direção ao centro, de modoque as partículas de gelo sejam mantidas longe das paredesda câmara, e que a massa de gelo tenda a se formar no centrodela sob a forma de um cone invertido. Nesta concretização,o ar refrigerado aspirado sai da câmara 121 através de umaou mais saídas 137. Isto permite que o ar refrigeradocircule pela câmara 121 no sentido descendente e que o arque escapa possa ser utilizado para outros fins derefrigeração como, por exemplo, condicionamento de ar. 0fundo da câmara é adaptado para permitir que a soluçãosalina concentrada seja recolhida e, em seguida, removidaatravés da saída 139. A massa de gelo se formará nasuperfície da solução salina e ficará flutuando devido àmenor densidade do gelo em relação à da solução.

Uma cesta 138 pode se colocada no fundo, de modo que amassa de gelo possa ser removida da câmara com facilidade,sem precisar interromper o sistema. Com relação a isto, ofundo da câmara 121 é adaptado, preferencialmente, com umaabertura pela qual a cesta 138 pode ser removida, para que amassa de gelo possa ser fundida produzindo água docepotável. Alternativamente, o fundo da câmara 121 pode serprojetado para ter uma porta do tipo drop down, por exemplouma porta com dobradiças, de modo que, sem interromper osistema a porta possa ser baixada para permitir a retiradada massa de gelo e de qualquer solução salina restante dacâmara 121. Neste caso, deve haver, de preferência, umsistema de esteira rolante sob a câmara 121, que permita otransporte da massa de gelo para o local onde ela seráfundida para produzir água doce potável.

Nas Figuras 31-34, o sistema de dessalinização 40 dapresente invenção é adaptado, preferencialmente, pararemover o sal e outras impurezas da água do mar 60. Nestaconcretização, o sistema 40 engloba, de preferência, umacâmara de cristalização 41, que pode ser utilizada pararemoção do sal e de outras impurezas e onde a águapurificada pode ser produzida. Esta câmara 41 deve ser, depreferência, um recipiente isolado, especialmente adaptadopara manter baixas temperaturas em seu interior, e parapermitir que a água do mar 60 e o ar refrigerado 50 sejamintroduzidos e misturados dentro dela, assim como parapermitir que o gelo e a solução salina concentrada se formemem seu fundo. A câmara de cristalização 41 pode sersemelhante àquelas descritas nos pedidos de depósito depatente norte-americana de n. 60/789,415 (depositado em 5 deabril de 2006), 60/794,190 (depositado em 21 de abril de2006) e 60/832, 777 (depositado em 24 de julho de 2006) osquais são incorporados a este documento por referência.

De preferência, o sistema de dessalinização 40 injeta aágua do mar 60 na câmara de cristalização 41,preferencialmente sob a forma de uma névoa ou jato 62. 0 arrefrigerado 50, oriundo do turbo-expansor é introduzido nacâmara 41, de preferência, de modo a expor a névoa ou jato62 ao ar muito frio. Isto faz com que as goticulas de águado mar 62 sejam super-resfriadas e congelem rapidamenteformando, assim, as partículas de gelo super-resfriadas 63que caem para o fundo 64 da câmara. As goticulas de água domar 62 são introduzidas, de preferência, mas nãonecessariamente, pelo topo 65 da câmara; já o ar refrigerado50 é introduzido 1) próximo ao meio da câmara e direcionadopara cima, ou 2) por cima da câmara, criando uma correntedescendente, que força as goticulas de água do mar 62 maisrapidamente para o fundo. Os fatores que determinam qual dosmétodos usar depende da rapidez com que a água do marprecisa ser congelada que, por sua vez, depende de quão friaa água do mar 60 estiver, antes de entrar na câmara 41, datemperatura do ar refrigerado 50, do tamanho da câmara 41,de como as goticulas de água do mar são expostas ao arrefrigerado e como circulam por ele, assim como daquantidade de ar e água do mar que estão sendo introduzidos,entre outros fatores.

O congelamento da água do mar 60 permite,preferencialmente, que se formem partículas flutuantes degelo de água pura 63 contendo traços de solução salina 67aderidas a elas. O objetivo disto é deixar o sal e outrasimpurezas para trás, na solução salina 67 no fundo da câmara41. O sistema de dessalinização 40 remove,preferencialmente, as partículas de gelo 63 da soluçãosalina 67, mais densa, de modo que a gravidade ajuda asepará-las e limpa as partículas de gelo 63, através de um,de pelo menos dois caminhos possíveis.

Primeiro, as partículas de gelo 63 podem formar umagrande massa de gelo 66, acumulando-se no fundo da câmara41, isto é, à medida que elas caem umas sobre as outras. Como tempo, à proporção que as partículas 63 caem e se juntam,elas formam uma massa de gelo 66, que tende a flutuar sobrea solução salina 67, mais densa. Com relação a isto, osistema é adaptado, de preferência, para que as partículasde gelo 63 formem uma massa de gelo cônica 66, pelaintrodução de gotículas de água do mar 62 no centro dacâmara 41, de modo que as partículas de gelo 63 formadastambém se acumularão no centro da câmara. Isto permite, comvantagem, que a solução salina 67, que encapsula ou se aderea cada partícula de gelo de água pura 63, escorra peloslados ao invés de ficar retida na massa de gelo 66, embolsos ou fendas que, de outra forma se formam na massa 66 àmedida que ela se solidifica. Pela formação de uma massa degelo cônica 66, a solução salina 67 que adere a cadapartícula de gelo 63 irá, simplesmente, escorrer peloslados, ao invés de ficar retida na massa 66. Deste modo, asolução salina 67 pode ser efetivamente separada da massa degelo 66, como necessário. Por outro lado, pesquisasmostraram que a massa de gelo formada pode ter canais eespaços vazios em seu interior; assim, qualquer soluçãosalina 67 acumulada pode, simplesmente, passar por eles semficar retida no interior da massa. A massa de gelo, a esterespeito, se assemelha mais a neve e forma poros, quepermitem a passagem da solução salina. As partículas de geloque se formam e caem sobre a massa de gelo estão,tipicamente, à temperatura de -21,1 °C (-6 °F).

A concretização possui, também preferencialmente, meiospara lavar a massa de gelo 66 com água doce. Deixando-se queesta massa 66 se funda, pode-se produzir água doce. Comrelação a isto, como mostrado na Figura 31, água doceadicional em temperatura ambiente, 15,5 °C (60 °F), pode serpulverizada pelo pulverizador 68 sobre a massa de gelo 66,em sentido descendente, para servir como uma coluna delavagem, que ajude a remover a solução salina 67 da massa degelo 66 à medida que esta se forma. A maior parte da soluçãosalina 67 é deslocada dos espaços entre as partículas degelo 63 por ação da gravidade. Para remoção de mais soluçãosalina aderida à superfície de cada uma das partículas degelo 63 é preferível injetar água doce sobre a camada degelo/solução salina depositada na base da câmara decristalização 41, a fim de ajudar a drenagem da soluçãosalina 67 por gravidade, camada a camada. Esta água docecongela à medida que ela se liga a cada camada e desloca asolução salina muito fina e viscosa, nos interstícios entreas partículas de gelo 63. A água doce congelada sobre aspartículas de gelo é, mais tarde, derretida e, depreferência, recuperada para re-uso sem necessidade de maiságua doce. Se for necessária água com pureza maior, pode-seacrescentar uma coluna de lavagem descendente.

Observe-se que um jato de água pode ser introduzidopara ajudar a aumentar a drenagem, por gravidade, da soluçãosalina 67, como uma pré-lavagem. Devido à tensãosuperficial, pode haver alguns minerais indesejáveis eimpurezas dissolvidas, que são atraídos para a superfíciedos cristais de gelo e, portanto, pode ser necessário lavara massa de gelo com água doce. Esta congela sobre a massa degelo e nos canais internos e poros nesta massa, à medida queesta libera os minerais e outras impurezas das superfíciesinterna e externa da massa. A água congela ,preferencialmente, sobre a camada de partículas de gelo 63que estão cobertas com solução salina e, à medida que aspartículas se depositam sobre a massa de gelo 66, elasdeslocam a solução salina, de alta viscosidade, dasuperfície das partículas de gelo 63 e permitem que asolução salina 67 flua para a superfície externa da massa degelo 66. A solução salina 67 é drenada, de preferência, parao fundo da câmara 41, através de um dreno 69, como mostradonas Figuras 31 e 32.

A seção inferior 64 da câmara 41 possui,preferencialmente, uma cesta perfurada 71, capaz de apararas partículas de gelo 63, que caem para formar a massa degelo 66, mas que permite a circulação do ar refrigerado parafora da câmara 41. Com relação a isto, as paredes laterais72 da câmara 41 têm, de preferência, canais ou espaços 73pelos quais o excesso de ar refrigerado pode fluir. Esteexcesso de ar passa, preferencialmente, através da saída 74,mostrada na Figura 32, de onde é, então, distribuído para osistema de condicionamento de ar e utilizado como arrefrigerado.

O lado direito da Figura 32 mostra como as partículasde gelo 63 se formam no fundo da cesta 71, para formar umamassa de gelo maior 66, ou, em alguns casos, uma lama 74. Asperfurações da cesta permitem que a solução salina 67 saia,deixando para trás, na cesta 71, as partículas de gelo deágua pura 63. Em seguida, removendo-se a cesta 71, a massade gelo 66 e/ou a lama 74 de água pura pode ser retirada dacâmara 41.

A massa de gelo 66 formada pelas partículas de gelo 63removida com a cesta 71 pode, então, ser fundida paraproduzir água doce no fundo de um tanque de estocagem 76,como mostrado na Figura 33. Como apresentado, a água doce 75em temperaturas relativamente amenas, no caso 15,5 °C (60°F) , pode ser pulverizada de novo, como uma coluna delavagem, sobre as partículas de gelo 63, a fim de lavar ogelo e provocar sua fusão. Como mostrado na Figura 34, o arquente local 81 também pode ser injetado no tanque deestocagem 76, para ajudar a derreter as partículas de gelo63. À medida que o gelo funde, as gotículas de água doce 78passam através das perfurações da cesta 71, e são recolhidasno fundo 77 do tanque de estocagem 76, sob a forma de águadoce potável resfriada. Pode-se usar mais de uma cesta 71 demodo que os processos de dessalinização e fusão não precisemser interrompidos enquanto cada cesta 71 é removida dacâmara 41.

Porque a massa 66 é feita de gelo e, portanto é fria, aágua doce produzida quando ela se funde é refrigerada. Ogelo estará, de preferência, na temperatura deaproximadamente -21,1 °C (- 6 °F) e, passando-se água acerca de 15,5 0C (60 °F) sobre o gelo, a água doceresultante estará, de preferência, em cerca de 4,4 °C (40°F). Dali, a água doce resfriada pode ser distribuída parabeber, ou ser levada através da saída 79 para um tanque deseparação e guardada para uso futuro no sistema decondicionamento de ar, ou através da saída 80 para ser re-circulada para a câmara de cristalização 41 para serutilizada como o jato 68 da coluna de lavagem, ou ainda comoo jato 75 no tanque de estocagem 76. Em qualquer caso, aágua pode ser usada para propósitos secundários, incluindofornecer frio para um sistema de condicionamento de ar, oulavagem das partículas de gelo 63 na câmara de cristalização41, antes da água ser reciclada e distribuída como água docepotável 52.

Assim, o sistema de dessalinização tem meios de separaras partículas de gelo 63 da solução salina 67, paraassegurar que qualquer sal, ou outra impureza, deixado sobreelas seja removido das partículas de gelo. Por exemplo,essas partículas de gelo 63, que são refrigeradas depreferência a cerca de -21,1 °C (-6 °F), para assegurar queas duas fases formadas, gelo sólido e solução salinalíquida, sejam distribuídas de preferência, dentro do tanquede estocagem 76, ou outro recipiente, e pulverizado oumisturado com mais água doce 75, como água previamentepurificada pelo sistema (que pode estar em temperaturaambiente) e, então ser deixada para fundir. Misturando-se aspartículas de gelo super-resfriadas 63 com a água adicional75 em temperatura ambiente, o sistema pode produzir águadoce potável muito fria, isto é, em temperatura decongelamento ou próximo dela.

F. Troca de Calor Imbutida nas Paredes da Câmara:

Na concretização preferida, as paredes da câmara sãoaquecidas, preferencialmente, com a água do mar quente, queentra, e/ou com o ar comprimido aquecido do compressor, paraevitar que o gelo se deposite nas paredes e que a massa de gelo se fixe nelas. Deste modo, quando a massa de geloestiver de tamanho suficiente, ela pode ser removidafacilmente da câmara e deixada para fundir em um ambientemais quente, para produzir água pura, isto é, em um processoem batelada.

Na concretização preferida, as paredes da câmara sãoadaptadas, de preferência, com tubos e/ou cavidades de modoque a água do mar que entra e/ou o ar aquecido que vem docompressor podem passar através das paredes da câmara. Estesservem, efetivamente, como um trocador de calor, que não apenas deixa as paredes da câmara relativamente quentes para1) evitar que o gelo se deposite nas paredes, 2) evitar quea massa de gelo se fixe nelas, e 3) ajudar a regular atemperatura na câmara; mas também ajuda a reduzir atemperatura da água do mar antes dela ser introduzida nointerior da câmara, e a resfriar o compressor. Este duploefeito de troca de calor permite regular tanto a temperaturada câmara quanto da água do mar, sem necessidade de usarenergia extra. Os tubos são colocados, de preferência, emtorno da câmara para aumentar a eficiência da transferênciade energia entre a água do mar e/ou ar aquecido, e a câmara.

Também pode-se usar uma cavidade, que é, essencialmente, umespaço entre uma parede interna e outra externa, ou seja, acâmara pode ser feita com parede dupla, de modo que a águado mar e/ou o ar aquecido possa passar no interior daparede. Este melhoramento pode ser usado em conexão com oprocesso em batelada e está relacionado com o uso de tubose/ou cavidades em torno das paredes da câmara, que ajuda aregular a temperatura na câmara, mas também a temperatura daágua do mar e/ou do ar que passa pelos tubos.

G. Formação da Massa de Gelo:

À medida que as partículas de gelo se formam e caem nofundo da câmara, elas começam, de preferência, a coalescer eformam uma massa de gelo, que tem a aparência de neve, maisdo que de um bloco de gelo, na superfície da solução salinarecolhida. Esta massa de gelo tem densidade relativamentebaixa, devido aos numerosos canais de ar e poros que contém,assim como pela natureza porosa de sua formação. A densidadedesta massa é, tipicamente, na faixa entre 0,5 e 0,6 g/cm3,(relembre que neve fresca tem densidade < 0,1 g/cm3), quasea metade da do gelo puro. Uma inspeção cuidadosa da massarevela que ela se parece mais com neve, e tem uma rede decanais e espaços vazios, que permitem que qualquer excessode solução salina que se deposite sobre as partículas degelo escorram facilmente e sejam drenadas através da massapara a solução salina recolhida. Mantendo-se a massa de geloe o fluxo de ar refrigerado que a circunda em temperaturaligeiramente maior do que a eutética, a solução salinaaderida aos cristais de gelo pode ser facilmente lavada parafora deles, isto é, não formará cristais de sal.

À medida que a massa de gelo cresce, um fluxoconsistente de solução salina continuará a fluir e drenarpelos canais, espaços vazios e poros, permitindo sua remoçãoe a purificação da massa de gelo. A este respeito, vale apena observar que a temperatura da massa de gelo de águadoce propriamente dita permanecerá em torno 0 0C ou 32 °F,devido à quantidade significativa de calor gerado, associadoà mudança de fase.

A princípio, devido à diferença de densidade entre asgotículas de água do mar congeladas e a água do mar no fundoda câmara, as partículas de gelo começarão a flutuar. Comomostrado na Figura 23, quando a água líquida forma gelo, háuma queda de 9% na sua densidade e, quando as concentraçõesmais altas de sal da água do mar líquida em condiçõespróximas da eutética provocam a formação de gelo, a queda nadensidade é de 71% e o gelo se torna fortemente flutuante,tornando a separação mais rápida. Observe que a solução deágua salgada com concentração de 24% tem densidade de 80libras/ pé cúbico. Neste caso, o gelo se separa rapidamenteda solução de água salgada. A Figura 24 apresenta variaçõesna densidade da água do mar em função do percentual decloreto de sódio contido nela.

Após tempo suficiente para que as partículas de gelo seacumulem e a massa de gelo se forme, o qual na concretizaçãoem questão é de duas horas, mas que pode ser de apenas 10minutos ou menos, os pequeníssimos cristais de gelo começama flutuar no topo do denso líquido salino e coalescem sob aforma de uma massa de gelo. Mas à medida que novas gotículasse depositam sobre esta massa, ela começa a criar umasuperfície áspera em cima, com pequenos picos e vales. Istopode fazer com que mais gotículas que caiam no meio do blocose separem em gotículas salinas e cristais de gelo nosvales. Se a massa de gelo era sólida, isto pode fazer comque algumas gotículas do líquido salino sejam suspensas efiquem retidas no bloco de gelo pois esta forma,tipicamente, canais e espaços vazios em seu interior, poronde a solução salina tende a sair, rumo à solução salinarecolhida.

Contudo, para assegurar que mais partículas de gelotendam a se formar no centro, os bicos do pulverizador podemser vposicionados com um padrão de cluster denso próximo aoeixo central da câmara de sedimentação, como mostrado nasFiguras 17 e 18. A organização do gelo ocorrerá, então, depreferência, em direção ao centro da câmara, formando umamassa de gelo cônica ou em formato de cone invertido. Sendoassim, à medida que cada nova goticula salina combinadaadere externamente a uma cristal de gelo, elas irão dedepositar na superfície da massa cônica, e a goticula delíquido salino fluirá sobre a superfície de contenção, sehouver, e descerá o cone em direção à solução no fundo.Outra alternativa é usar o padrão de posicionamento dosbicos do pulverizador acima, mas controlar também o fluxoatravés deles, de modo que o bico dirigido para o eixocentral da câmara de sedimentação tenha o fluxo maisvolumoso e mais longo.

A massa de gelo, quando removida, deve ainda ser lavadapara remover qualquer sal e outras impurezas de suasuperfície. Ao sair da área da câmara para uma zonatemperada, essa massa irá fundir e formar água pura.

O mecanismo fundamental para ligação da solução salinaconcentrada e da água congelada é a tensão superficial.Assim, toda a solução concentrada no centro de um canalaberto na massa de gelo se comportará como um líquido pesadoe sairá. Por outro lado, as poucas moléculas de soluçãosalina aderidas ao gelo se grudarão nele devido à tensãosuperficial. Esta é vencida quando a água doce alcança estacamada grudada, congela sobre o gelo e força a camadagrudada a ser rejeitada e lavada para fora. Na câmara decristalização proposta, à medida que as partículascongeladas (cobertas com líquido salino de alta densidade)se acumulam no topo das camadas anteriores em um depósitocônico, um fluxo de baixa intensidade de água doce é,preferencialmente, pulverizado sobre a camada mais recente.Esta água doce se deposita sobre a massa de gelo e liberauma camada muito fina de solução salina da superfície degelo/neve. Assim, há um fluxo gravitacional de líquidosalino além de uma solução salina lavada (por pressão), quesai da massa cônica de gelo.

O jato de água doce refrigerada sobre a massa degelo/neve congela sobre ela à medida que cada camada édepositada. A água doce congelada desloca a solução salinaaderida à superfície dessa massa e faz com que ele drenepelas fissuras. Quando a massa de gelo/neve lavada érecuperada e derretida, a água doce pulverizada é recuperadapara re-uso, enquanto a água doce purificada é utilizadacomo produto.

A porosidade das partículas e da massa de gelo é umparâmetro importante no processo proposto. Felizmente, é umfenômeno natural que as partículas de gelo tenham porosidadealta. Os canais porosos e os espaços vazios no interior daestrutura do gelo permitem que a solução salina residualaprisionada nela seja drenada, especialmente durante a fasede lavagem do processo. A contaminação residual na águalimpa é, portanto, minimizada a um nivel aceitável parabeber.

Considere-se que o gelo tenha uma densidade de 0, 92g/cm3 e a água, de 1,0 g/cm3 cm de modo que o gelo flutue naágua. Mas, o mais importante é que há uma hipótese antiga deque a densidade da neve é cerca de 10% da água, ou 0,10g/cm3. Foi demonstrado experimentalmente que, emtemperaturas mais baixas, a neve forma uma estrutura aindamais porosa. Ver a Figura 6, que apresenta uma comparação dadensidade da neve em relação à temperatura do ar.

H. Cálculo de Exemplo:

O cálculo a seguir mostra os requisitos para um fluxode ar gerar 0,5 L/s (12.000 galões/dia) de água doce apartir do processamento de 0,6 L/s (13.793 galões/dia) deágua do mar. Neste exemplo, utilizou-se um turbo-expansor dedois estágios, de 535 HP, operando com uma eficiênciatermodinâmica de 85%, o qual irá liberar 10,9 toneladas(24.155 libras) de ar refrigerado a -111,1°C (-168 °F).Este ar refrigerado absorverá 939.146 BTU/HR se aquecido a -21,1°C (-6 °F), a temperatura eutética da água do mar.<table>table see original document page 132</column></row><table>

Para mostrar por que pode ser necessário pré-resfriar aágua do mar a cerca de -18 0C (30 °F) a 4,4 0C (40 GF), aanálise a seguir começará utilizando uma água do mar a 15,50C (60 °F) a 1024 kg/m3 (64 libras/ft3) , que será resfriada a-21,1 0C (-6 °F) com base no cálculo aproximado:

<table>table see original document page 132</column></row><table>

Neste exemplo, uma câmara de cristalizaçãorelativamente pequena, com 1,2 m (4 ft) de diâmetro, recebeum fluxo de ar refrigerado de aproximadamente 150 m3/min(5.297 SCFM) injetado a uma velocidade de 2,1 m/s (7 ft/s) ,em sentido descendente vertical. A gotícula do exemplo,esférica, com diâmetro de 4.000 micra tem uma velocidade desedimentação de 13,4 m/s (44 ft/s) em ar puro. Logo, há umtransporte vertical da goticula, para baixo, de 2,1 m/s +13,4 m/s = 15,5 m/s (7 ft/s + 44 ft/s = 51 ft/s). Se acâmara tiver 2,4 m (8 ft) de altura, existe um tempo deresidência de menos que 8/51 segundo na trajetória. Obs.: Ostamanhos de câmara, goticulas, etc. acima, e a velocidade dofluxo de ar, a velocidade de queda das goticulas, etc. sãoaproximadas e podem ser modificadas o quanto for necessário,levando-se em consideração os fatores aqui discutidos.Assim, pode ser necessário considerar o pré-resfriamento daágua do mar que entra, de 15,5 °C (60 °F) para cerca de -18°C (30 °F), antes dela ser injetada na câmara, forçando essaágua que entra a circular em torno da câmara decristalização, como será discutido.

É reconhecido que as goticulas de água do mar terão queser super-resfriadas a -32,2 °C (-26 °F) ao invés de a -21,1°C (-6 °F) para realmente iniciar a formação de gelo (águadoce) . 0 decurso de tempo para o inicio da formação de geloé reduzido quando a temperatura do ar é muito menor que -32,2 °C (-26 °F). Por esta razão, o presente sistema inicia,de preferência, com ar refrigerado na temperatura de92, 8 °C (-135 °F) a -115 °C (-175 °F), dada ou medida, ouqualquer temperatura que funcione, dados os fatores aquidiscutidos. Quando o gelo (água doce) começa a se formar,ele se forma em menos que uns poucos segundos. Logo, paraque as goticulas iniciem seu processo de congelamento nacâmara de cristalização, usando uma grande diferença detemperatura de sub-resfriamento, é necessário que o processode solidificação se inicie enquanto as goticulas estãodescendo, mas o processo de congelamento deve ser concluídodepois que elas tiverem se depositado no montículo crescentede gelo no fundo da câmara.

Em algumas circunstâncias, a superfície externa dagotícula de 4.000 micra de diâmetro pode alcançartemperaturas bem abaixo da temperatura eutética e formargelo de água doce, cristais de sal e cristais de sal em quecada molécula de NaCl está ligada a duas moléculas de água.Poderá haver também líquidos metaestáveis nesta mistura desólidos. Mas, quando aquecida a uma temperatura ligeiramenteacima da eutética, a mistura termodinâmica de gelo de águadoce e solução salina altamente concentrada e muito densa seestabelece conforme o diagrama de equilíbrio.

Espera-se que a gotícula esteja sujeita ao ambientecongelante durante um tempo que vai de uma fração de segundoa uns poucos segundos durante sua trajetória verticaldescendente. Já na massa acumulada no fundo da câmara decristalização, este ambiente perdurará por um tempo quevaria de 10 segundos a 10 minutos ou mais. No processo embatelada de, digamos, 6 a 10 minutos, haverá tempo mais doque suficiente para a mistura atingir as condições deequilíbrio a partir do momento em que a massa de gelo comecea se formar até se configurar de acordo com o diagrama defases.

Quando a temperatura da água do mar permaneceligeiramente acima de - 21, 35 0C (251,8 Κ) , ou -21,1 0C (-6,02 °F), a água do mar separa-se totalmente em duas fases:(1) gelo puro que, por descongelamento posterior setransforma em água pura, e (2) solução liquida concentradade água do mar. O gelo (densidade menor) flutua sobre asolução concentrada de água do mar, de alta densidade. Estaé a situação desejada. A Figura 20 mostra o diagrama deequilíbrio de fases para uma mistura de cloreto de sódio(NaCl) e água. O cloreto de sódio é chamado soluto, e aágua, solvente. Quando a região de duas fases alcançatemperaturas baixas, aparecem as duas fases seguintes: (1)gelo puro (sólido), e (2) solução salina líquida comcristais de sal, em que os cristais de sal são o soluto e aágua líquida, o solvente.

Quando a temperatura da água do mar permanece em tornode - 21,12 °C, ou -6,02 °F, a água do mar se separa em trêsfases: (1) gelo puro, que ao ser derretido se transforma emágua pura, (2) cristais de sal em que há duas moléculas deágua ligadas a cada cristal de sal (NaC1.2H20) e (3)cristais de sal puro. Embora o diagrama de equilíbrio mostreapenas estas três configurações em temperaturas menores que-21,1 0C (-6 °F), existem outros estados líquidosmetaestáveis neste regime de temperatura. Este é um estadoindesejável para nossa operação.

Também são apresentados os dados para uma amostra águado mar (com [Na+] igual a 0,46 Μ) . Δ grande fração líquidapara esta amostra abaixo do ponto eutético se deve,presumivelmente, à presença de outros sais com temperaturaeutética menor do que o NaCl (em particular, MgSO4 e MgCl2) .Para uma amostra 0,5 M água do mar) mais de 99% do NaClprecipita sob a forma de NaC1.2H20 no ponto eutético, maspara soluções mais diluídas, geralmente, mais da metade doNa+ inicial permanece sob a forma iônica livre abaixo de -45, 15 °C (228 K) .

De acordo com uma interpretação idealizada da regra defases de Gibbs e do diagrama de fases da mistura de NaCl eágua, soluções de NaCl(aq) se solidificam completamente emtemperaturas abaixo do ponto eutético (252 K ou -6°F) comouma mistura de (1) gelo de água pura, (2) NaCl (sólido) , e(3) NaCl. 2H20(sólido) , para qualquer concentração inicial desal. A observação de que uma fase salina líquida podecoexistir com grandes quantidades de gelo e sais de sódiosólidos em temperaturas mais do que 20 K abaixo do pontoeutético representa, portanto, uma aparente desvio docomportamento de equilíbrio ideal. Para diferenciar estafase não congelada de solução salina da camada "quasi-líquida" (QLL) encontrada em pesquisas anteriores com gelode água pura pesada, nos referiremos à fase solução como uma"camada quasi-solução salina", ou QBL.

A co-existência de uma fase de solução salina líquidacom gelo de água pura em temperaturas abaixo do pontoeutético é indicada em experimentos relatados por Thurmondand Brass17 e Koop et al.18 Usando calorimetria diferencialexploratória (DSC), Koop et al. observaram duas emissõestérmicas separadas durante o congelamento de soluçõesdiluídas de NaCl, que eles atribuíram a transições delíquido super-resfriado para fase sólida associadas com (1)formação de gelo puro (água pura sólida) e (2) precipitaçãode NaCl.2H20. As temperaturas dessas transições de duas"fases convergem à medida que a concentração de NaCl aumentae se tornam, essencialmente, iguais para concentrações acimade 16 % em peso de NaCl.

Quando a solução de água do mar é, progressivamente,resfriada até a temperatura de congelamento da água pura,depois para a temperatura eutética do NaCl e, em seguida,para temperaturas mais baixas, aparecem outras formasmetaestáveis descritas acima como QLL e QBL. Espera-se,então que, quando as gotículas saídas do pulverizadorencontrem o ar super-resfriado forme-se gelo puro (água puracongelada) com uma série de outras estruturas de cristais deNaCl e água. Mas, à medida que as gotículas se aquecemnovamente até ligeiramente acima da temperatura eutética,forma-se a solução de equilíbrio entre gelo (sólido) esolução concentrada de NaCl, associada ao diagrama deequilíbrio usual para solução salina.

A Figura 19 mostra este Ioop de histerese e o retorno à

condição inicial. 0 tempo cresce na direção indicada pelassetas; as temperaturas de congelamento (Tf) e eutética (Te)são indicadas pelas linhas descontínuas verticaistracejadas. Quando o líquido salino sofre o primeiroresfriamento (Cl), não se observa transição de fase;portanto, o líquido é metaestável abaixo de Tf. Durante oresfriamento C2, gelo puro precipita repentinamente,liberando calor, e a fração líquida cai, mas não a zero. AMBL restante é resfriada durante C3 até que uma segundatransição de fase ocorra (C4), resultando em um segundoevento exotérmico e uma queda na fração líquida. Apesardisso, uma fase líquida, a QBL, permanece como mostrado porexperimentos de RMN, e pode ser resfriada durante C5. Apósaquecimento (W1), a fração líquida aumenta gradualmente atéatingir Te; a partir daí, começa uma fusão rápida e a fraçãolíquida cresce. Esta fusão repentina cessa quando a soluçãosalina resultante alcança a concentração aproximada dadapela curva de abaixamento do ponto de congelamento. A fraçãolíquida, então, cresce suavemente à medida que a temperaturasobe (W3) e a fusão continua. Deve-se registrar que estasdiscussões foram retiradas de "NMR Investigation of theQuasi-Brine Layer in Ice/Brine Mixtures" by Cho, Shepson,Barrie, Cowin and Zaveri.

Esta discussão indica que pode haver transferência decalor entre o ar refrigerado, oriundo do turbo-expansor, e aágua do mar, nos tubos e/ou cavidades, suficiente para levaros dois fluidos a atingir sua temperatura de equilíbrio, -21,1°C (-6°F), ou próximo disto, antes da injeção de águado mar na câmara de cristalização, através do pulverizador.Logicamente, será necessário que os tubos e/ou cavidadescompartilhem uma superfície comum para melhor troca decalor. Estes tubos e/ou cavidades, assim como as paredes dacâmara são feitos, de preferência, de materiais comexcelentes propriedades de troca térmica como, por exemplo,alumínio, cobre, etc. O fluxo necessário nos tubos e/oucavidades é tal que o estado super-resfriado da soluçãosalina seja sustentado até sua pulverização na câmara decristalização . A única razão para a formação da gotícula épermitir que o sólido salino forme um líquido salino e sejaforçado para fora da partícula de gelo. 0 sucesso destaabordagem resultará no menor tamanho da câmara decristalização, interessante para os usuários que dispõem depouco espaço.

A mudança de fase ocorre em menos de uns poucossegundos, de modo que o tempo de residência da gotícula noar refrigerado e sobre o montículo de gelo precisa ser menordo que uns poucos segundos (Figura 19) . O progresso docongelamento pode ser acompanhado a intervalos curtos,observando-se a linha da água liquida no RMN ^1H emonitorando seu desaparecimento à medida que a temperaturacai abaixo dos pontos de transição de fase. Observou-se quea maior parte das soluções utilizadas no presente estudo nãocomeçaram a solidificar até que a temperatura foi reduzidaabaixo de 257 K (ou -16 °C (+3,2 °F)). Deve-se lembrar que atemperatura eutética é -21,1 °C (-6 °F). Uma vez iniciado ocongelamento, o processo foi rápido, com as maioresalterações no sinal de RMN completando-se em poucossegundos.

Água do mar na sua temperatura usual (digamos 15,5 °Cou 60 °F) , foi filtrada e bombeada através dos tubos e/oucavidades que circundam a superfície inferior e as paredeslaterais da câmara de cristalização. A água do mar bombeadacirculou em uma direção tal que, inicialmente, aqueceu asuperfície inferior e, depois, as paredes laterais da câmaraantes de ser pulverizada para dentro da câmara decristalização. Assim, há dois efeitos importantes: (1) aágua do mar pulverizada na câmara de cristalização é pré-resfriada entre -18 °C (30 °F) e + 4,4 °C (40 °F) antes deentrar em contato com o ar refrigerado dentro da câmara decristalização, e (2) o fundo e as paredes laterais da câmarade cristalização são suficientemente aquecidos para evitarqualquer formação de gelo.

O limite mais externo do jato pulverizado é limitadoradialmente, de modo que poucas goticulas (ou nenhuma)atingem as paredes laterais, mesmo quando a altura do gelodepositado cresce, ao longo do tempo. As goticulaspulverizadas são produzidas em uma faixa de tamanhos, com amaioria das goticulas, preferencialmente, com diâmetro emtorno de 4.000 micra. Isto ocorre devido ao tamanho dosorifícios dos bicos do pulverizador e à diferença depressão. É possível, também, selecionar goticulas de água domar com diâmetro de 1.000 micra e, até mesmo 250 micra, oude outros tamanhos.

A gotícula começa, preferencialmente, entre -18 0C (30°F) e +4,4 0C (40 °F) e entra em contato com o arrefrigerado, de preferência, a -85 0C (-121 °F) ou maisfrio. A Figura 21 mostra as temperaturas no cerne dasgoticulas após 0,2 segundo de exposição ao ar a -85 0C (-121°F) . A superfície da gotícula irá atingir, imediatamente,uma temperatura ligeiramente maior do que aquela. Considere-se que o coeficiente de transferência de calor na interfacear/água seja de 1 a 5 BTU/ (Hr Sq-Ft F) para convecçãolivre. Se há um fluxo no sentido da convecção mais forçada,o coeficiente de calor será maior e as temperaturas docerne, mais frias.

Mas, as temperaturas do cerne de goticulas grandes, comdiâmetro de 4.000 micra, deverão estar entre -4,44 °C (+24°F) e 0 °C (+32 °F) para taxas de transferência de calor de h= 5 BTU/(Hr Sq-Ft F) e 1 BTU/(Hr Sq-Ft F), respectivamente,em 0,2 segundo de trajeto (primeiras duas colunas da Figura21). Não há congelamento neste curto espaço de tempo.Contudo, ainda há o caso em que um coeficiente detransferência de calor plausivelmente mais alto só consegueelevar essas temperaturas de cerne a valores menores. Se omodelo de massa partida utilizado aqui for abandonado,espera-se que o processo de congelamento ocorra de fora paradentro, de modo que se formará uma casca de gelo. As duasprimeiras colunas da Figura 22 mostram que o congelamento dagoticula toda ocorrerá cerca de 2 segundos após a deposição.O ar refrigerado só tem um curto tempo de residência em suadescida, mas precisará de cerca de mais 2 segundos paraliberar completamente a energia estocada nele após agoticula ter se depositado.

No entanto, as temperaturas do cerne de goticulas comdiâmetro de 1.000 micra ficarão entre -49,2 °C (-56,6 °F) e-13,4 °C (+7,8 °F) para taxas de transferência de calor de h= 5 BTU/(Hr Sq Ft F) e 1 BTU/(Hr Sq Ft F) em 0,2 segundo detrajetória (terceira e quarta colunas da Figura 21). Assim,o congelamento da goticula toda ocorrerá cerca de 2 segundosapós a deposição. 0 ar refrigerado só tem um curto tempo deresidência em sua descida, mas precisará de cerca de mais 2segundos para liberar completamente a energia estocada neleapós a goticula ter se depositado, (ver as terceira e quartacolunas da Figura 22).

É óbvio que se forem usadas goticulas de 250 micra,mesmo esse tempo menor de trajeto na câmara de cristalizaçãocongelará as' goticulas completamente.

É importante observar que esses cálculos consideram quea temperatura de -85 0C (-121 °F) é mantida durante todo opercurso de descida. Deve-se lembrar que a troca de calor jávinha ocorrendo com a água do mar nos tubos e/ou cavidades edurante a descida da água. Esta troca estará completa quandoo ar e a mistura bifásica atingirem -21,1 0C (-6 °F).

Se forem usadas goticulas de tamanho muito pequeno, amaior parte do congelamento só ocorrerá depois da deposição.Partes das goticulas estarão super-resfriadas em seus raiosexternos e esses regimes super-frios conterão estruturasmetaestáveis. Mas no equilíbrio, após a deposição, aspartículas de gelo irão se compactar e flutuarão nasuperfície do denso líquido salino. Quando este líquido sairda massa de gelo, espaços vazios se formarão. Com isto, opropulsor levará uma massa espumosa para o plano de saida.

I. Exemplo de Sistema Proposto:

Uma concretização do sistema proposto está descrita,mostrando instantâneos da configuração do sistema em seistempos chave de sua operação.

1. Primeira Etapa:

A primeira etapa no arranjo em contra-corrente,apresentada na Figura 25, mostra a pulverização de água domar a +21,1 0C (+70 °F) com goticulas de diâmetro mediano de4.000 micra, e ar refrigerado introduzido a 7.151 SCFM etemperatura de -105 0C (-157 °F). A velocidade de subida dasgoticulas que saem do pulverizador atinge, finalmente, umvalor mínimo relativo devido à gravidade e, então, elassedimentam-se rumo à base da coluna. A mistura final degoticulas de água do mar e ar refrigerado resulta em -21,10C (-6 °F), a temperatura eutética da mistura. Pode-secontrolar a temperatura final da mistura, para que ela fiqueacima ou abaixo da temperatura eutética, ajustando-se osfluxos de entrada de água do mar e ar refrigerado.

2. Segunda Etapa:

Como mostrado na Figura 26, a mistura de goticulas deágua do mar e ar refrigerado ocorre com algumas goticulas(1) que descem através do ar refrigerado, com gelo e água domar resfriada formando uma só peça, mas com gelo separado dasolução salina; (2) colidindo e coalescendo com goticulaspróximas e prosseguindo com o processo de separação dentrodessas novas e maiores goticulas; e (3) que atingem o fundoda poça de fluido, de modo que a solução salina na goticulase incorpora à poça de fluido e o cristal de gelo liberadoflutua para o topo, onde pode se fundir com outros cristaisde gelo.

À medida que novas goticulas se depositam,continuamente, sobre a massa de gelo, esta pode apresentaruma superfície superior rugosa, com pequenos picos e vales.Isto pode fazer com que mais goticulas que caem no meio damassa se separem em goticulas salinas e cristais de gelodentro dos vales, fazendo com que algumas goticulas dolíquido salino sejam suspensas e fiquem retidas na massa degelo, apesar de pesquisas mostrarem que esta massa possuicanais e espaços vazios pelos quais a solução salina podesair em direção à solução recolhida.

Para evitar isto e permitir que o líquido salinoescorra pelas beiradas, os bicos do pulverizador podem serposicionados com um padrão de cluster denso, mais perto doeixo central da câmara de sedimentação. A formação do geloocorrerá, então, preferencialmente, em direção ao centro dacâmara, formando um cone invertido (ver Figuras 17 e 18).Sendo assim, à medida que cada nova goticula combinada seliga externamente a um cristal de gelo, eles irão se aderirà superfície do cone e a goticula de líquido salino fluirásobre sua superfície de contenção, se houver, e escorrerápela cone até a solução no fundo. Outra alternativa é usaro mesmo padrão dos bicos do pulverizador acima, mascontrolar, também, o fluxo através deles de modo que o fluxode material pulverizado no eixo central da câmara desedimentação tenha o maior volume e o maior tempo.

A altura da injeção de ar refrigerado deve ser maior doque a da massa de gelo, como discutido acima para a Figura17, o que significa produzir um anel vazio entre a massa degelo e as paredes da câmara, como discutido para a Figura18 .

3. Terceira Etapa:

Se muito pouca água do mar for pulverizada na câmara desedimentação, a mistura no fundo da câmara cairá abaixo datemperatura eutética e, não somente haverá gelo saindo dasolução, mas o sal também irá se separar e se depositará soba forma de cristais de sal. Isto é mostrado na Figura 27.Ver a forma cônica do bloco de gelo da concretizaçãopreferida nas Figuras 17 e 18.4 . Quarta Etapa:

As 2 horas de operação continua terminaram e chegou ahora de retirar o bloco de gelo. A estrutura do pulverizadoré deslocada para o lado, e a solução é suspensa a um nivelno qual ela não respingue sobre as bordas das paredes dacâmara.

Durante o período de 2 horas, os cristais de gelo sereuniram no topo da solução salina, mais densa, e sejuntaram formando um bloco de gelo. Por este tempo, todo oconteúdo interior da câmara de sedimentação é levantado porum pistão hidráulico até que a parte superior da soluçãosalina alcance a borda superior da câmara de sedimentação.Há, então, acesso ao bloco através de pinças, que osuspendem e levam para a posição seguinte, onde ele écortado e lavado, como mostra a Figura 28. A solução friaserá guardada para etapas posteriores da operação. Assuperfícies do bloco de gelo precisam ser raspadas, ouenxaguadas com água doce, para remover qualquer soluçãosalina de suas interfaces. Ele é, então, deixado em umtanque para derretimento em temperatura ambiente eutilização posterior como água potável pura.

Alternativamente, após o montículo de gelo ter chegadoà altura planejada, o dreno de água salgada localizado nofundo da câmara de cristalização é aberto para drenagem daágua do mar. Quando toda esta água for removida, o drenoserá fechado e o fundo abaixa e vira em torno de umadobradiça, passando da posição horizontal para a vertical. Adobradiça suporta a superfície inferior da câmara decristalização. Quaisquer tubos ou dutos envolvendo asuperfície inferior da câmara é configurado,preferencialmente, para acomodar o eixo em torno dadobradiça. Assim, o montículo de gelo pode escorregar pelofundo movediço e passar para uma esteira de transporte. Estaconduz o montículo de gelo para o tanque onde o montículoanterior está sendo derretido.

Uma vez que a transferência do gelo para fora da câmaraseja feita por gravidade, o ar refrigerado que chega podeser ajustado para cerca de 14,67-psia (pressão de 1atmosfera). Esta pressão de saída de 1 atm (14,67-psia) parao turbo-expansor e de 13, 6 atm (200-psia) para entrada nelepermite alcançar temperaturas muito baixas no ar que sai doturbo-expansor para a câmara de cristalização. Contudo, estagrande queda de pressão exige um turbo-expansor de doisestágios.

5. Quinta Etapa:

A água do mar morna, que entra, passará por um trocadorde calor, em contra-corrente com a água salina que sai, comomostrado na Figura 29. A economia de energia permitirá umataxa de dessalinização maior, para o mesmo fluxo de arrefrigerado.

6. Sexta Etapa:

A operação do sistema a uma temperatura ligeiramenteacima da eutética é conveniente, no sentido de que a densasolução salina leva o gelo a flutuar e pode-se utilizarTeflon sobre a superfície interna das paredes da câmara paraevitar que o bloco de gelo grude nelas. No estágio final,após a remoção do bloco de gelo, é conveniente baixar atemperatura abaixo da temperatura eutética para depositar oscristais de gelo que podem ser removidos. Este processodeverá ser iniciado antes da última etapa.

Como mostrado na Figura 30, o elevador hidráulico édeslocado de sua posição inicial para remover o sal. Há,então, duas condições: (1) o termopar indica que a soluçãosalina está ligeiramente mais quente que a temperaturaeutética. Neste caso, quando a solução salina for removida,todo o sal sairá com ela. Esta solução salina resfriadaretorna ao trocador de calor para pré-esfriar a água do marque entra. (2) o termopar indica que a solução salina estáligeiramente mais fria que a temperatura eutética. A soluçãosalina é drenada e processada como descrito no primeirocaso. Em seguida, o pistão hidráulico é abaixado abaixo dofundo da câmara de sedimentação e o sal solidificado éraspado fora da superfície do pistão. Este sal pode serdescartado, ou pode-se encontrar uma utilização para ele.

J. Comparação com Outros Métodos:

A discussão a seguir pretende mostrar que o presentemétodo é capaz de produzir água doce potável a um custo maisbaixo, isto é, libras por minuto, do que os processosanteriores de dessalinização. A análise abaixo descreve ametodologia e as hipóteses usadas para avaliar a utilidade ea eficiência deste método. A análise a seguir consiste deduas etapas básicas:

(1) Definição da termodinâmica do processo, queenvolve adequar a capacidade deresfriamento/congelamento do ar refrigerado com aenergia que se precisa remover da partida de água domar, a fim de fazer com que o sal e água pura nelacontidos cristalizem.

(2) Definição do início e especificação das etapas doprocesso necessárias para alcançar a separação físicados cristais de sal e de gelo, e para conseguir adessalinização da partida de água do mar.

Como relacionado abaixo, neste processo em bateladasdeterminou-se que a quantidade de água do mar seria de4.988,5 kg (11.000 libras) e a duração do processo dedessalinização, estimada em 2 horas. A temperatura inicialda água do mar foi considerada como de +21,1°C ( + 70°F). 0ponto eutético do NaCl é -21,2 °C (-6.2 °F) e a composiçãoeutética 23,3%. A quantidade total de frio necessária para oresfriamento desta partida é de 2.211.000 BTU. Isto inclui afase de formação do gelo (163 BTU/# fusão).

<table>table see original document page 151</column></row><table>

Se a fase de formação de gelo não for incluída, consegue-seágua super-resfriada, e a capacidade de resfriamentodisponível pode acomodar 13,6 toneladas (30.000 #) de águado mar.

Sem Formação de Gelo (ÁGUA SUPER-RESFRIADA)

<table>table see original document page 151</column></row><table>

O turbo-expansor de 500 kW processa 202,5 m3/min(7.151 scfm) de ar e libera a pressão atmosférica de ar a -102,8°C (-153 °F) para dessalinização. A temperatura de -21,2 °C (-6,2°F) é a temperatura eutética para formação degelo e separação de cristais de gelo. Logo, usaremos o arpara dessalinização em uma faixa de temperatura entre -102,8°C (-153 °F) e -21,2 °C (~6,2°F). 0 cálculo mostrado abaixoindica a energia de resfriamento disponível como sendo de2.297.508 BTU se os processos de fluxo forem operadosdurante 120 minutos. A entrada de 4988,5 kg (11.000 libras)de água do mar a +21,1 0C (+70 °F), levada a -21,2 °C(- 6,2 °F) requer 2.211.000 BTU.

500 kW (térmico)

670 hp

10,67 scfm/hp

7.151 scfm/hp

120 min

858.177 scf

1,2 kg/m3 (0,076 # pés cúbicos)

29,6 t (65.211 # ar)

0,24 BTU/ (#F)

-21,2 °C (-6,16 0F)

-102,8 °C (-153 F)

(2.298.508,17) BTU de resfriamento disponível

A iteração dos cálculos acima para o sistema de 500 kWmostra que a cristalização por congelamento propostaproduzirá, teoricamente, 36,17 kg (79,75 #) de água doce porminuto. Assim, necessita-se de 6,27 kW para produzir 450 g(uma libra) de água doce por minuto. Isso é comparável com ocristalizador de superfície raspada, que requer 11,4 kW paraproduzir aquela quantidade de água doce por minuto; e aodessalinizador por osmose reversa que requer 68,2 kW paraproduzir 450 g (uma libra) de água doce por minuto.As concretizações discutidas e apresentadas aqui sãomeramente exemplificativas e não pretendem, de modo algum,serem limitantes. A presente invenção contempla váriosmétodos e sistemas, que podem ser adaptados e que possuem asintenções e objetivos da invenção, os quais podem serconsiderados uma variação das concretizações aquiapresentadas.

Claims (21)

1. Sistema para dessalinizar água do mar, caracterizadopelo fato de que compreende:um compressor para comprimir ar;um expansor para expandir o ar comprimido para co-gerar ar resfriado;uma câmara, com pelo menos um bocal pelo qual a águado mar pode ser injetada para dentro da câmara, e no qual oar resfriado do expansor pode ser introduzido, aonde aexposição da água do mar ao ar resfriado permite quepartículas de gelo compostas de água pura se formem nacâmara;um dispositivo que auxilia a remoção de partículas degelo da câmara, com isso ajudando a separar a água pura departículas de gelo de impurezas da água do mar.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o referido sistema compreende pelo menosum dos seguintes:i) é fornecido um tanque de armazenamento parapermitir que o ar comprimido seja estocado neste, e aonde oexpansor é adaptado para liberar e expandir o ar comprimidono referido tanque, para produzir ar resfriado;ii) é fornecido um gerador elétrico que é adaptadopara produzir eletricidade quando o ar comprimido estásendo liberado pelo expansor, aonde o ar resfriado éproduzido como um sub-produto da produção e eletricidade;iii) um tanque de compensação, aonde, quando o arcomprimido é expandido pelo expansor, a energia por esteproduzida é usada para excitar um segundo compressor queproduz energia de ar comprimido adicional que pode serintroduzida no tanque de compensação;iv) pelo menos um trocador de calor para auxiliar areduzir a temperatura do ar comprimido antes deste serexpandido pelo expansor, ouv) pelo menos um eixo comum entre o compressor e oexpansor que permite que ambos operem em associação um como outro.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que a temperatura do ar comprimido introduzidona câmara é inferior à temperatura eutética da água do mar,e aonde partículas de gelo são deixadas depositar no fundoda câmara na forma de uma massa, aonde a temperatura damassa no fundo da câmara é superior à temperatura eutéticada água do mar.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que a temperatura do ar resfriado está entremenos 92,8°C (-135°F) e 19,4°C (175°F) , e a temperatura damassa de partículas de gelo está acima de menos 21,2°C (-6,2°F, tal que uma salmoura líquida consistindo deimpurezas na água do mar pode escoar da massa.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o sistema compreende pelo menos um dosseguintes:i) o sistema é adaptado de tal modo que a água do marpode ser borrifada de cima para baixo para dentro dacâmara, e o ar resfriado pode ser introduzido de modo queeste flui subindo para dentro da câmara;ii) o sistema é adaptado de tal modo que a água do marpode ser borrifada de cima para baixo para dentro dacâmara, e o ar resfriado pode ser introduzido de modo queeste flui para baixo, para dentro da câmara, na mesmadireção que a água do mar.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o ar resfriado é introduzido à umatemperatura entre menos 92,8°C (-135°F) e 79,4°C (175°F).

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que em pelo menos um bocal é adaptado econfigurado para produzir um 'Spray' centralmentedirecionado de água do mar que tende a manter as gotas quesão formadas pelo xspray' distantes das paredes externas dacâmara, e direcionadas para o centro da câmara, aonde aspartículas de gelo caem, elas tendem a cair próximo aocentro da câmara, par formar uma massa de gelo que permitea água do mar escorrer pelos lados da massa de gelo, semser capturada para dentro da formação de massa de geloenquanto esta coalesce e resfria.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que as paredes da câmara são adaptadas comtubos ou passagens que permitem que a água do mar circulepor estes, para auxiliar a regular a temperatura dasparedes dentro da câmara.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que a água do mar é passada através de tubosou passagens nas paredes da câmara para auxiliar noaquecimento das paredes da câmara, e em contrapartida, atemperatura fria dentro da câmara pode ajudar a resfriar aágua do mar enquanto esta circula antes de ser borrifadapara dentro da câmara, aonde a água do mar que éintroduzida na câmara é pré-resfriada até menos do que4,444°C (40°F).

10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que as paredes da câmara estão adaptadas comtubos ou passagens que permitem o ar aquecido do compressorser usado para regular a temperatura das paredes dentro dacâmara.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que o ar aquecido é passadoatravés dos tubos ou passagens nas paredes da câmara paraauxiliar a aquecer as paredes da câmara, aonde astemperaturas frias dentro da câmara podem ajudar a pré-resfriar o ar aquecido enquanto este circula para oexpansor.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato · de que a localização aonde o ar resfriado éintroduzido na câmara está acima da altura que é esperada aser atingida pela formação de massa de gelo que é formadadentro da câmara quando as partículas de gelo coalescem econgelam juntas no fundo da câmara.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que um aquecedor é fornecido em conexão com asparedes da câmara próxima onde partículas de gelo acumulam,em que as paredes da câmara podem ser aquecidas paraprevenir que partículas de gelo congelem nas paredes, e/oupara permitir que qualquer massa de gelo que é produzidacomo partículas de gelo que coalescem e congelam dentro dacâmara sejam facilmente removidas.

14. Método para dessalinizar água do mar, caracterizadopelo fato de que compreende:comprimir ar para produzir energia de ar comprimido;liberar o ar comprimido com um expansor para co-gerarar resfriado;borrifar água do mar na forma de gotas dentro de umacâmara;expor as gotas de água do mar ao ar resfriado dentrode uma câmara , formando, assim, partículas de gelocompostas de água pura dentre as gotas; eformar uma massa com as partículas de gelo dentro dacâmara, ajudando, portanto, a separar a água pura naspartículas de gelo, das impurezas na água do mar.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que o método compreende pelo menos um dosseguintes:i) armazenar a energia de ar comprimido em um tanquede armazenamento antes de liberar a energia de arcomprimido;ii) co-produzir eletricidade usando um gerador,enquanto o ar comprimido está sendo liberado pelo expansor,aonde o ar resfriado é produzido como um subproduto daprodução de eletricidade;iii) usar a energia de ar comprimido para excitar umcompressor suplementar que produz energia de ar comprimidoadicional que pode ser introduzida no tanque decompensação.iv) usar pelo menos um trocador de calor para reduzira temperatura do ar comprimido antes deste ser expandidopelo expansor; ouv) usar pelo menos um eixo comum entre o compressor eo expansor que permite que ambos operem em associação umcom o outro.

16. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que introduzir o ar resfriado compreendeintroduzir ar resfriado à uma temperatura menor do que atemperatura eutética da água do mar, e aonde formar a massade partículas de gelo compreende manter a temperatura damassa no fundo da câmara acima da temperatura eutética daágua do mar.

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que a temperatura do ar resfriado está entremenos 92,8°C (-135°F) e 79,4°C (175°F), e a temperatura damassa de partículas de gelo está acima de menos 21,2°C (--6,2°F, tal que uma salmoura líquida consistindo deimpurezas na água do mar pode escoar da massa.

18. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que compreende as seguintes etapas:i) borrifar água do mar de cima para baixo para dentroda câmara, e introduzir o ar resfriado de modo que esteflui subindo para dentro da câmara;ii) borrifar água do mar de cima para baixo, paradentro da câmara, e introduzir o ar resfriado de modo queeste flui para baixo, para dentro da câmara, na mesmadireção que a água do mar.

19. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que pelo menos um bocal é adaptado econfigurado para produzir um ^spray' centralmentedirecionado de água do mar que tende a manter as gotas quesão formadas pelo iSpray' distantes das paredes externas dacâmara, e direcionadas para o centro da câmara, aonde aspartículas de gelo caem, elas tendem a cair próximo aocentro da câmara, para formar uma massa de gelo que permitea água do mar escorrer pelos lados do bloco de gelo, semser capturada para dentro da formação de massa de geloenquanto esta coalesce e congela.

20. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que o método compreende circular água do maratravés de pelo menos um tubo ou passagem dentro pásparedes da câmara para auxiliar no aquecimento das paredesde câmara,e em contrapartida, provocam a temperatura friadentro da câmara para auxiliar a resfriar a água do marantes de ser vaporizada dentro da câmara, aonde a água domar que é produzida dentro da câmara é pré-resfriada atémenos do que 4,444°C (40°F).

21. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que o método compreende circular ar aquecidodo compressor através de pelo menos um tubo ou passagem nasparedes da câmara para auxiliar no aquecimento de paredesda câmara, em que as temperaturas frias dentro da câmarapodem ajudar a pré-resfriar o ar aquecido enquanto estecircula para o expansor.