Автореферат (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом), страница 2

Результаты экспериментального исследования опытноговакуумного теплонасосного дистиллятора на базе двухроторноговакуумного насос-компрессора типа РУТС модели НВД-600.Степеньдостоверностииапробациярезультатовисследования. Достоверность полученных автором данныхподтверждается соответствием результатов теоретических иэкспериментальных исследований, выполненных с использованиемсертифицированных измерительных приборов и апробированныхметодик измерения; использованием классических термодинамическихзависимостей и надежных источников справочных данных.Основные научные результаты работы были доложены иобсуждены на следующих научных конференциях: Международнаянаучно-практическая конференция в рамках выставки «Мир климата»,Москва, 2 марта 2017 г.; Международная научно-практическаяконференция в рамках выставки «Мир климата», Москва, 4 марта2016 г.;IIIНациональнаяежегоднаявыставка-форум«ВУЗПРОМЭКСПО-2015», Москва, 4 декабря 2015 г.; Научнотехническая конференция «Индустрия холода для продовольственной,энергетической и экологической безопасности» в рамкахМеждународной выставки CHILLVENTA ROSSIJA 2014, Москва, 6февраля 2014 г.; Международная конференция «Инновационныеразработки в области техники и физики низких температур», Москва,Университет машиностроения, 10-12 декабря 2013 г.6По теме диссертационного исследования опубликованы 6 научныхработ, в том числе 4 в научных журналах из Перечня ВАК приМинобрнауки РФ.Личное участие автора заключалось в постановке задачисследования,разработкесхеммобильныхвакуумныхдистилляционных установок; математическом моделированиипроцессов работы одноступенчатого дистиллятора с механическойкомпрессией пара; создании экспериментального стенда и проведенииопытов; обсуждении, интерпретации и обобщении полученныхрезультатов; формулировании научных положений и выводов.Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит извведения, трех глав, заключения, списка сокращений и условныхобозначений, списка использованной литературы. Работа содержит 109страниц, 44 иллюстрации, 3 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведена краткая характеристика работы:обоснована актуальность темы исследования; сформулированы цели изадачи работы; определены научная новизна и практическаязначимость полученных результатов; изложены положения,выносимые на защиту.В первой главе показана востребованность мобильныхопреснительных установок в России и в мире; выполнен обзорсуществующих способов опреснения и определена целесообразностьприменения мобильных дистилляционных установок с механическойкомпрессией пара в небольших поселениях и частных сельскиххозяйствах прибрежной зоны и удаленных районов, не имеющихдоступ к пресной воде; рассмотрены тенденции развития исуществующиетехническиерешениядистилляционныхопреснительных установок с механической компрессией пара;обсуждены вопросы, связанные с выбором температурного режимапроцесса опреснения; отмечено влияние предпусковых нагревателей наобщее энергопотребление дистилляционных установок; приведенысведения о теплоотдаче при кипении воды в вакууме.Вторая глава посвящена разработке схем и теоретическомуисследованию мобильной вакуумной дистилляционной установки.На основе термического способа опреснения с механическимсжатием пара было разработано схемное решение мобильноговакуумного теплонасосного дистиллятора (ВТД).

Принципиальнаясхема и рабочие процессы ВТД в диаграмме давление-энтальпияизображены на рисунке 1.7Процессы ВТД: (а) – упрощенная принципиальная схема:І – герметичная камера с водяной ванной,ІІ – конденсатор-испаритель (КИ), ІІІ – основной вакуумный насос,ІV – вспомогательный вакуумный насос, V – рекуперативныйтеплообменник (РТ), VІ – сборник дистиллята;(б) – термодинамический цикл: 1-2 – нагрев исходной воды в РТ;2-3 – догрев исходной воды в гермокамере; 3-4 – выпаривание воды вгермокамере; 4-5 – сжатие паров дистиллята; 5-6 – охлаждение паровдистиллята в КИ; 6-7 – конденсация паров дистиллята в КИ;7-8 – охлаждение дистиллята в РТ; 9-10 – охлаждение рассола в РТ8ВТД имеет в своем составе герметичную камеру с водянойванной І, внутри которой ниже уровня жидкости размещентеплообменный аппарат – конденсатор-испаритель ІІ.

В рабочемрежиме основной вакуумный насос-компрессор ІІІ откачивает водяныепары из камеры І. В ходе этого процесса происходит испарение частиводы. При этом от объема жидкости осуществляется отъем тепла,пропорциональный теплоте испарения воды и скорости откачки.Водяные пары нагнетаются насос-компрессором ІІІ в теплообменник ІІ,на внутренней поверхности которого происходит конденсацияводяного пара, а на наружной стороне поверхности – кипение воды.Таким образом, теплота фазового перехода при конденсации паровводы в полной мере передается кипящей воде.Вспомогательный вакуумный насос IV соединен со сборникомдистиллята VІ и предназначен для создания необходимого уровнявакуума в системе перед запуском основного вакуумного насоскомпрессора ІІІ.

В процессе работы насос IV включаетсякратковременно для откачки воздуха, растворенного в подводимойисходной воде.ВТД позволяет осуществлять выпарку воды при пониженныхтемпературах в диапазоне 20…40 ºС (соответствует давлениюнасыщения воды 2350…7400 Па), что определяет его преимущества: стабильные показатели теплофизических свойств в системетеплопередающая поверхность – опресняемая вода; возможность опреснения воды повышенной солености изагрязненности; увеличение интервалов технического обслуживания; отсутствие необходимости в предпусковом нагревателе; отсутствие повышенных требований к конструкционнымматериалам; малые потери тепла в окружающую среду; минимальная нагрузка на рекуперативный теплообменник; возможность работы установки без блока приготовления идозирования реагентов; создание и поддержание вакуума без использованияводоэжекторного блока; удовлетворительные показатели удельной потребляемоймощности даже при малых производительностях.Отвод потоков дистиллята и рассола из полости гермокамерыможет быть организован без использования жидкостных насосовблагодаря созданию необходимого гидростатического напоражидкости.9Обоснованавозможностьприменениябыстроходногодвухроторного вакуумного насос-компрессора типа РУТС (ДВН) вкачестве основного средства сжатия и перемещения водяных паров.Благодаря способности ДВН работать как в режиме насос-компрессора,так и в режиме детандера с адиабатным КПД на уровне 0,4 … 0,5,потребление электроэнергии на опреснение может быть сведено кминимуму.

На основе патента № 2265730 РФ разработано схемноерешение, позволяющее совместить процесс опреснения с генерациейэлектроэнергии с использованием тепла солнечной радиации.Для анализа процесса выхода ВТД на установившийся режимработы без использования предпускового подогревателя была решеназадачаматематическогоописаниянестационарноготепломассообменного процесса в момент запуска установки с учетомследующих допущений: в момент запуска основного насос-компрессора температуравсех элементов установки равна температуре окружающейсреды; переохлаждение дистиллята в КИ отсутствует; равенство температуры рассола и средней температурыкипения воды в гермокамере; физико-химическая, гидростатическая и гидравлическаядепрессия в объеме кипящей воды отсутствует; капельный унос жидкости при откачке паров дистиллята изгермокамеры отсутствует; изоляция установки идеальна; влияние неконденсирующихся газов на теплообмен ипараметры работы насос-компрессора отсутствует; унос паров дистиллята при откачке неконденсирующихсягазов вспомогательным вакуумным насосом отсутствует.Дифференциальное уравнение теплового баланса, позволяющееопределять изменение температуры кипения воды в гермокамере ивремя выхода установки на режим представлено в форме:(в ∙ р (кип ) + м ∙ м (кип ))кип = ( , ) ∙ ( ) + пер (кип , кон ) −⎡ д кип кон кон кон⎤−д (кип , кон ) ∙ кип (кип ) −⎢⎥ ∙ ,=1⎢⎥− ∙ д (кип , кон ) ∙ и ∙ (кип − ис )⎣⎦10(1.1)гдев , мр , и , мкип , кон , исд, икип, конпер = д⁄и– масса воды в гермокамере и аппаратов ВТД, кг;– удельная теплоемкость рассола, исходной воды иконструкционных элементов аппаратов ВТД,Дж⁄(кг ∙ K);– температура кипения воды в гермокамере,конденсации паров дистиллята и исходной воды,соответственно, °С;– массовый расход дистиллята и исходнойводы, кг/с;– теплота фазового перехода при кипении воды иконденсации паров дистиллята, Дж/кг;– теплота перегрева паров дистиллята, Вт;– степень извлечения дистиллята;– время, с.Функциональная зависимость кон = (кип ), необходимая длярешения дифференциального уравнения, определяется путем решениясистемы уравнений, сформулированной исходя из условий равенстваплотностей теплового потока в конденсаторе-испарители ВТД:кип ∙ (ст − кип ) = кон ∙ (кон − ст ),кон + пер = кип ∙ КИ ∙ (ст − кип )гдеαкип , αконстконКИ(1.2)– коэффициенты теплоотдачи при кипении иконденсации, Вт⁄(м ∙ K)– температура стенки КИ, °С;– теплота фазового перехода при конденсациипаров дистиллята в КИ, Вт;– площадь теплообменной поверхности КИ, м2.При этом расчет ведется методом последовательных приближенийс учетом зависимости теплоты конденсации, перегрева паров икоэффициентов теплоотдачи от температур кипения и конденсацииводы, но без учета термического сопротивления стенки и термическогосопротивления накипи.Выбор зависимостей для определения коэффициентов теплоотдачипри выпаривании и конденсации воды в условиях разрежения паровогопространства теоретически обоснован путем рассмотрения известныхзакономерностей процесса теплоотдачи при низких давлениях.Итоговое выражение для определения времени выхода установкина режим записано в виде:11кип(в ∙ р (кип ) + м ∙ м (кип ))кипд (кип , кип , кон ) ∙ кон (кип , кип , кон ) +⎤ис ⎡+пер (кип , кип , кон ) −⎢⎥ (1.3)−д (кип , кип , кон ) ∙ кип (кип ) −⎢⎥⎢ 1⎥⎣ − ∙ д (кип , кип , кон ) ∙ и ∙ (кип − ис ) ⎦В расчетах использовались теплофизические и термодинамическиепараметры воды, найденные путем аппроксимации справочных данныхдля чистой воды и водяного пара в диапазоне температур 10…60 ºС.При опреснении загрязненной воды необходима корректировказависимостей свойств жидкости.Третья глава посвящена экспериментальному исследованиюВТД.Для подтверждения работоспособности технического решенияВТД и верификации математической модели был создан опытныйстенд в соответствии с принципиальной схемой, изображенной нарисунке 1.В качестве основного вакуумного насос-компрессора былиспользован двухроторный насос-компрессор модели НВД-600производства казанского АО «Вакууммаш» c номинальной скоростьюоткачки 150 л/с и мощностью электродвигателя 1,1 кВт.Эксперимент проводился по следующей методике.