Автореферат (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом)

Работа выполнена на кафедре «Техника низких температур»им. П.Л. Капицыфедеральногогосударственногобюджетногообразовательного учреждения высшего образования «Московскийполитехнический университет»НаучныйруководительОфициальныеоппонентыВедущаяорганизацияМаринюк Борис Тимофеевич, доктор техническихнаук, профессор; федеральное государственноебюджетное образовательное учреждение высшегообразования«Московскийполитехническийуниверситет», профессорСеменов Виктор Юрьевич, доктор технических наук,профессор;ПАО «Криогенмаш»,начальниклаборатории криогенных технологий, безопасности ипроцессов разделения газовИньков Анатолий Павлович, кандидат техническихнаук, доцент; ООО «Экотерм», директорМосковская государственная академия водноготранспорта – филиал федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Государственный университет морского иречного флота имени адмирала С.О.

Макарова»Защита состоится «25» декабря 2017 г. в 14.00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.356.01 при федеральном государственномбюджетном образовательном учреждении высшего образования«Московский политехнический университет» по адресу: г. Москва,ул. Прянишникова, 2А., ауд. 1211.С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научнойбиблиотеке и на официальном сайте Московского политехаhttp://mospolytech.ru, а также на официальном сайте Минобранаукиhttp://vak.ed.gov.ru/.Автореферат разослан «___» __________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.356.01,кандидат технических наукНагорноваИрина ВикторовнаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Пресная вода – важнейшийприродный ресурс, мировое потребление которого исчисляетсямиллиардами тонн ежедневно. От доступности и качества преснойводы напрямую зависит здоровье и благосостояние населения Земли.Потребность в пресной воде сегодня высока как никогда прежде.За последние полвека ее общее потребление утроилось, а орошаемыеводой площади увеличились вдвое. По самым оптимистичнымпрогнозам, к 2050 г. мировое потребление воды в области сельскогохозяйства увеличится на 20% как в зонах с неконтролируемымполивом, так и на искусственно орошаемых территориях.

Дефицитпресной воды становится одним из факторов, оказывающих влияние наглобальное экономическое развитие.Возрастает потребность в мобильных автономных опреснительныхустановках малой производительности для использования в частныхсельских хозяйствах и быту. В таких установках нуждаютсяотдаленные регионы с низкой плотностью населения инеблагоприятной для передачи и распределения пресной водыинфраструктурой.Высокая востребованность малогабаритных обессоливающихустановок имеет место и на водном транспорте, нуждающемся ввосполнении запасов чистой воды для обеспечения работыэнергетической установки и для удовлетворения бытовых нуждкоманды и пассажиров.Совершенствование опреснительной техники с целью снижениязатрат на производство пресной воды в первую очередь направлено наповышение энергоэффективности систем, что соответствует мировымтенденциям по рациональному потреблению энергетических ресурсови использованию альтернативных источников энергии.Повышение качества опреснительной техники зависит в том числеи от применения современных средств автоматизированногопроектирования на базе математических моделей, детальноописывающих происходящие в системе процессы.В связи со всем вышесказанным крайне актуальной является задачаразработки новых энергоэффективных мобильных опреснительныхустановок и математического описания протекающих в них процессов.Степень разработанности темы исследования.

Вопросыразработок новых и модернизации существующих опреснительныхустановок с механической компрессией пара рассмотрены широкимкругом исследователей, среди которых можно выделить какотечественных – Г.Я. Лукин, В.Н. Слесаренко, А.С. Седлов, Л.В.3Мелинова, С.М. Токарев, так и зарубежных – H.T. El-Dessouky, R.Semiat и др. Но при всем множестве публикаций по рассматриваемойтематике авторы ограничиваются рассмотрением тепловых балансовопреснительных систем, не затрагивая нестационарные процессы.Наличиематематическоймоделинестационарноготепломассообменного процесса кипения жидкости в гермокамереодноступенчатой дистилляционной установки с механическойкомпрессией пара позволило бы определять зависимость параметровработы установки от времени в процессе выхода ее на установившийсярежим работы и использовать полученные данные для повышенияэффективности процесса запуска системы.Процессы переноса теплоты являются определяющими приописании работы выпарной техники.

При этом процесс кипения носитсложный характер и все еще не изучен полностью несмотря на большойобъем работ в этой области, в том числе авторства таких ученых, какН.Г. Стюшин, Н.Н. Мамонтова, Д.А. Лабунцов, L. Schnabel, F. Giraud идр. Задача по выбору расчетных зависимостей для определениякоэффициента теплоотдачи в условиях разрежения паровогопространства усложняется малым количеством экспериментальныхданных, особенно в диапазоне температур 20…40 ºС. В доступнойлитературе для рассматриваемого диапазона температур приводятсяданные по теплообмену на горизонтальных плоских и оребренныхпластинах, а также по теплообмену для цилиндрических тел,использование которых не всегда представляется возможным из-заузкого круга рассматриваемых поверхностей теплообмена.Целью работы является улучшение эксплуатационныххарактеристикмобильныхдистилляционныхопреснительныхустановок и определение их параметров работы на пусковых режимах.Задачи исследования:1.

Разработать схемное решение мобильного дистиллятора,функционирующего в диапазоне температур кипения воды 20…40 ºС,способного использовать альтернативные источники энергии.2. Обосновать корректность выбора расчетных зависимостей дляопределения коэффициента теплоотдачи при прогреве массы воды всвободном объеме на вертикальных трубах в условиях вакуумированияпарового пространства.3.

Разработатьматематическуюмодельнестационарноготепломассообменного процесса в одноступенчатой дистилляционнойустановке с механической компрессией пара.4. Создать экспериментальный стенд для исследования вакуумногодистиллятора.45. Провестисериюэкспериментовдляподтвержденияработоспособности технического решения и верификации расчетныхзависимостей.Научная новизна:1.

Разработана и экспериментально подтверждена математическаямодель нестационарного тепломассообменного процесса кипенияжидкости в гермокамере одноступенчатой дистилляционной установкис механической компрессией пара, позволяющая определятьпараметры работы и время выхода установки на режим.2. Предложена и обоснована расчетная зависимость дляопределения коэффициента теплоотдачи при прогреве массы воды всвободном объеме на вертикальных трубах в условиях вакуумированияпарового пространства.Теоретическаяипрактическаязначимостьработы.Теоретическая значимость диссертационной работы состоит вразработанномматематическомописаниинестационарноготепломассобменного процесса в вакуумной одноступенчатойдистилляционной установке с механической компрессией пара, чторасширяет круг рассмотренных вопросов и полученных знаний вобласти дистилляционных установок.Практическая ценность диссертационной работы заключается ввозможности создания новых теплонасосных дистилляционныхустановок и оптимизации параметров работы существующих систем набазе результатов экспериментального исследования:1.

Верифицирована математическая зависимость для расчетавремени выхода на режим одноступенчатой дистилляционнойустановки с механической компрессией пара.2. Определены параметры работы двухроторного вакуумногонасос-компрессора типа РУТС, функционирующего в составевакуумной дистилляционной установки с механической компрессиейпара в качестве основного средства перемещения и сжатия паров.3. Получены опытные данные по теплоотдаче при прогреве массыводы в свободном объеме на вертикальных трубах в условияхвакуумирования парового пространства.Результаты, полученные автором в ходе выполнения работ,использованы в отчетах НИР по договору № 9344ГУ/2015 от 28 декабря2015 г., финансируемому Федеральным государственным бюджетнымучреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий внаучно-технической сфере» по теме «Разработка и исследованиеэнергоэффективных теплонасосных дистилляционных установок дляопреснения и водоподготовки».5Методология и методы исследования.

При выполнениидиссертационногоисследованияиспользовалисьстандартныеобщепринятые методы разработки физико-математических моделей,численного моделирования с использованием специализированныхсредствавтоматизированногопроектирования,натурногоэксперимента и обработки экспериментальных данных, положениятеории теплообмена.Положения, выносимые на защиту:1. Техническое решение теплонасосной вакуумной мобильнойдистилляционной опреснительной установки на базе быстроходноговакуумного насос-компрессора типа РУТС и автономной вакуумнойэнергоустановки, отличающейся возможностью работы в режимах какопреснения с потреблением электроэнергии из сети, так иодновременной выработки пресной воды и электроэнергии за счетиспользования тепла солнечной радиации.2. Математическая модель процесса выхода одноступенчатойдистилляционной установки с механической компрессией пара наустановившийся режим работы.3.