Диссертация (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом)

2Оглавлениестр.Оглавление ....................................................................................................................... 2 Введение ........................................................................................................................... 4 ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования............................ 10 1.1 Потребность в автономных опреснительных установках малойпроизводительности .................................................................................................. 10 1.2 Обзор способов опреснения и водоподготовки ...............................................

15 1.3 Направление развития малогабаритных дистилляторов с механическойкомпрессией пара ...................................................................................................... 31 1.4 Выводы по главе 1 ............................................................................................... 40 ГЛАВА 2. Расчетно-теоретическое исследование ..................................................... 42 2.1 Принципиальная схема ВТД ..............................................................................

42 2.2 Энергетический баланс ВТД .............................................................................. 48 2.3 Теплоотдача при фазовых превращениях воды в условиях разреженияпарового пространства .............................................................................................. 55 2.4 Математическая модель процесса выхода ВТД на установившийся режимработы ......................................................................................................................... 61 2.5 Выводы по главе 2 ............................................................................................... 71 ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование ............................................................

72 3.1 Разработка и создание экспериментального стенда ........................................ 72 3.2 Методика проведения эксперимента................................................................. 77 3.3 Определение погрешности результатов эксперимента ................................... 78 3.4 Энергопотребление экспериментального стенда ВТД .................................... 80 3.5 Характеристики ДВН типа РУТС при работе в составе ВТД ........................ 81 33.6 Теплоотдача при прогреве массы воды в свободном объеме на вертикальныхтрубах в условиях вакуумирования парового пространства ................................

83 3.7 Выход ВТД на установившийся режим работы ............................................... 85 3.8 Выводы по главе 3 ............................................................................................... 89 Заключение .................................................................................................................... 90 Перечень сокращений и условных обозначений ....................................................... 92 Список литературы .......................................................................................................

95 4ВведениеАктуальность темы исследования. Пресная вода – важнейший природныйресурс, мировое потребление которого исчисляется миллиардами тонн ежедневно.От доступности и качества пресной воды напрямую зависит здоровье иблагосостояние населения Земли.Потребность в пресной воде сегодня высока, как никогда прежде. Запоследние полвека ее общее потребление утроилось, а орошаемые водой площадиувеличились вдвое. Дефицит пресной воды становится одним из факторов,оказывающих влияние на глобальное экономическое развитие.

По самымоптимистичным прогнозам, к 2050 г. мировое потребление воды в областисельского хозяйства увеличится на 20% как в зонах с неконтролируемым поливом,так и на искусственно орошаемых территориях.Возрастаетпотребностьвмобильныхавтономныхопреснительныхустановках малой производительности для использования в частных сельскиххозяйствах и быту. В таких установках нуждаются отдаленные регионы с низкойплотностью населения и неблагоприятной для передачи и распределения преснойводы и электроэнергии инфраструктурой.Высокая востребованность малогабаритных обессоливающих установокимеет место и на водном транспорте, нуждающемся в восполнении запасов чистойводы для обеспечения работы энергетической установки и для удовлетворениябытовых нужд команды и пассажиров.Совершенствование опреснительной техники с целью снижения затрат напроизводство пресной воды в первую очередь направлено на повышениеэнергоэффективности систем, что соответствует мировым тенденциям порациональномупотреблениюэнергетическихресурсовииспользованиюальтернативных источников энергии.Повышение качества опреснительной техники зависит в том числе и отприменения современных средств автоматизированного проектирования на базе5математических моделей, детально описывающих происходящие в системепроцессы.В связи со всем вышесказанным крайне актуальной является задачаразработки новых энергоэффективных мобильных опреснительных установок иматематического описания протекающих в них процессов.Степень разработанности темы исследования.

Вопросы разработок новыхи модернизации существующих опреснительных установок с механическойкомпрессией пара рассмотрены широким кругом исследователей, среди которыхможно выделить как отечественных – Г.Я. Лукин, В.Н. Слесаренко, А.С. Седлов,Л.В. Мелинова, С.М. Токарев, так и зарубежных – H.T. El-Dessouky, R.

Semiat и др.Тем не менее при всем множестве публикаций по рассматриваемой тематике,авторы ограничиваются рассмотрением тепловых балансов опреснительныхсистем, не затрагивая нестационарные процессы. Наличие математической моделинестационарного тепломассообменного процесса кипения жидкости в гермокамереодноступенчатой дистилляционной установки с механической компрессией парапозволило бы определять зависимость параметров работы установки от времени впроцессе выхода ее на установившийся режим работы и использовать полученныеданные для повышения эффективности процесса запуска системы.Процессы переноса теплоты являются определяющими при описании работывыпарной техники. При этом процесс кипения носит сложный характер и все ещене изучен полностью несмотря на большое количество работ в этой области, в томчисле авторства таких ученых, как Н.Г.

Стюшин, Н.Н. Мамонтова, Д.А. Лабунцов,L. Schnabel, F. Giraud и др. Задача по выбору расчетных зависимостей дляопределения коэффициента теплоотдачи в условиях разрежения паровогопространства усложняется малым количеством экспериментальных данных,особенно в диапазоне температур 20…40 ºС. В доступной литературе длярассматриваемого диапазона температур приводятся данные по теплообмену нагоризонтальных плоских и оребренных пластинах, а также по теплообмену для6цилиндрических тел, использование которых не всегда представляется возможнымиз-за узкого круга рассматриваемых поверхностей теплообмена.Целью работы является улучшение эксплуатационных характеристикмобильных дистилляционных опреснительных установок и определение ихпараметров работы на пусковых режимах.Задачи исследования:1.Разработатьсхемноерешениемобильногодистиллятора,функционирующего в диапазоне температур кипения воды 20…40 ºС, способногоиспользовать альтернативные источники энергии.2.Обосновать корректность выбора расчетных зависимостей дляопределения коэффициента теплоотдачи при прогреве массы воды в свободномобъеменавертикальныхтрубахвусловияхвакуумированияпаровогопространства.3.Разработатьматематическуюмодельнестационарноготепломассообменного процесса в одноступенчатой дистилляционной установке смеханической компрессией пара.4.Создать экспериментальный стенд для исследования вакуумногодистиллятора.5.Провести серию экспериментов для подтверждения работоспособноститехнического решения и верификации расчетных зависимостей.Научная новизна:1.Разработана и экспериментально подтверждена математическаямодель нестационарного тепломассообменного процесса кипения жидкости вгермокамере одноступенчатой дистилляционной установки с механическойкомпрессией пара, позволяющая определить параметры работы и время выходаустановки на режим.2.Предложена и обоснована расчетная зависимость для определениякоэффициента теплоотдачи при прогреве массы воды в свободном объеме навертикальных трубах в условиях вакуумирования парового пространства.7Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическаязначимость диссертационной работы состоит в разработанном математическомописаниинестационарноготепломассобменногопроцессаввакуумнойодноступенчатой дистилляционной установке с механической компрессией пара,что расширяет круг рассмотренных вопросов и полученных знаний в областидистилляционных установок.Практическая ценность диссертационной работы заключается в возможностисоздания новых теплонасосных дистилляционных установок и оптимизациипараметров работы существующих систем на базе результатов экспериментальногоисследования:1.Верифицирована математическая зависимость для расчета временивыхода на режим одноступенчатой дистилляционной установки с механическойкомпрессией пара.2.Определены параметры работы двухроторного вакуумного насос-компрессоратипаРУТС,функционирующеговсоставевакуумнойдистилляционной установки с механической компрессией пара в качествеосновного средства перемещения и сжатия паров.3.Получены опытные данные по теплоотдаче при прогреве массы воды всвободном объеме на вертикальных трубах в условиях вакуумирования паровогопространства.Результаты, полученные автором в ходе выполнения работ, использованы вотчетах НИР по договору № 9344ГУ/2015 от 28 декабря 2015 г., финансируемомуФедеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействияразвитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по теме«Разработка и исследование энергоэффективных теплонасосных дистилляционныхустановок для опреснения и водоподготовки».Методология и методы исследования.