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

При выполнении диссертационногоисследования использовались стандартные общепринятые методы разработки8физико-математических моделей, численного моделирования с использованиемспециализированных средств автоматизированного проектирования, натурногоэксперимента и обработки экспериментальных данных, положения теориитеплообмена.Положения, выносимые на защиту:1.Техническоерешениетеплонасоснойвакуумноймобильнойдистилляционной опреснительной установки на базе быстроходного вакуумногонасос-компрессора типа РУТС и автономной вакуумной энергоустановки,отличающейся возможностью работы в режимах как опреснения с потреблениемэлектроэнергии из сети, так и одновременной выработки пресной воды иэлектроэнергии за счет использования тепла солнечной радиации.2.Математическаямодельпроцессавыходаодноступенчатойдистилляционной установки с механической компрессией пара на установившийсярежим работы.3.Результаты экспериментального исследования опытного вакуумноготеплонасосногодистилляторанабазедвухроторноговакуумногонасос-компрессора типа РУТС модели НВД-600.Степеньдостоверностииапробациярезультатовисследования.Достоверность полученных автором данных подтверждается соответствиемрезультатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных сиспользованием сертифицированных измерительных приборов и апробированныхметодикизмерения;использованиемклассическихтермодинамическихзависимостей и надежных источников справочных данных.Основные научные результаты работы были доложены и обсуждены наследующихнаучныхконференциях:Международнаянаучно-практическаяконференция в рамках выставки «Мир климата», Москва, 2 марта 2017;Международная научно-практическая конференция в рамках выставки «Мирклимата», Москва, 4 марта 2016; III Национальная ежегодная выставка-форум«ВУЗПРОМЭКСПО-2015»,Москва,4декабря2015;Научно-техническая9конференция «Индустрия холода для продовольственной, энергетической иэкологической безопасности» в рамках Международной выставки CHILLVENTAROSSIJA 2014, Москва, 6 февраля 2014 г.; Международная конференция«Инновационные разработки в области техники и физики низких температур»,Москва, Университет машиностроения, 10-12 декабря 2013 г.По теме диссертационного исследования опубликованы 6 научных работ, втом числе 4 в научных журналах из Перечня ВАК при Минобрнауки РФ.Личное участие автора заключалось в постановке задач исследования,разработкесхемматематическоммобильныхмоделированиивакуумныхпроцессовдистилляционныхработыустановок;одноступенчатогодистиллятора с механической компрессией пара; создании экспериментальногостенда и проведении опытов; обсуждении, интерпретации и обобщенииполученных результатов; формулировании научных положений и выводов.Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения,трех глав, заключения, перечня сокращений и условных обозначений, спискаиспользованной литературы. Работа содержит 109 страниц, 44 иллюстрации, 3таблицы.10ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования1.1 Потребность в автономных опреснительных установках малойпроизводительностиПресная вода – важнейший природный ресурс. Вода необходима дляподдержания здоровья населения, обеспечения продовольственной безопасности иэкономического прогресса любой страны мира [59].Объем воды на Земле огромен и составляет порядка 1386 миллионов км3, новозможность его использования существенно ограничена.

Большая часть водылокализована в мировом океане и имеет соленость в среднем 35 г/л. Повышеннаяконцентрация солей в морской воде не позволяет использовать ее как для питья,так и для большинства других нужд в быту, сельском хозяйстве и промышленности[2, 36, 78].Пресная вода в ледниках Арктики, Антарктики и зоне вечной мерзлотытруднодоступна из-за удаленности и нахождения в твердой фазе.

Подземные водыв значительной части минерализованы и залегают на больших глубинах. Половинаозер также засолена. Пресная вода на Земле, находящаяся в зонах активноговодообмена (озера, болота, руслах рек, почва и атмосфера), составляет 134 тысячикм3, что соответствует лишь 0,01% от общего количества воды [18, 35].Существенное влияние на доступность пресной воды оказывают факторынегативного антропогенного воздействия на водные источники, в том числе стокипромышленных предприятий, загрязнение сельскохозяйственными удобрениями,проникновение солёной воды в водоносные слои в прибрежных зонах из-заактивного использования грунтовых вод. Качество воды продолжает снижаться.Особенно остро эта проблема стоит для развивающихся стран, в которых 50%населениявынужденыпользоватьсязагрязненнымиисточникамиводы.Недостаточный уровень водоподготовки ежегодно уносит жизни более 211миллионов человек. В развивающихся странах из 37 болезней, оказывающихнепосредственное влияние на ранюю смертность, 21 болезнь связана супотреблением некачественной воды [44, 60, 66, 89].В настоящее время специалисты всемирных организаций ежегодноконстатируютвозрастающийдефицитпреснойводы.Увеличениепроизводственных мощностей и численности населения, изменение климата имасштабы загрязнения экологии во многих районах являются причинами резкогороста спроса на ограниченные водные ресурсы в сельском хозяйстве,промышленности и городах.

Ограниченность ресурсов пресной воды становитсяоднимизсистемныхфакторов,оказывающихвлияниенасоциально-экономическое развитие регионов и политическую напряженность между странами[17, 30, 43, 123].Эксперты ЮНЕСКО отмечают, что уже в 2030 году планета столкнется сдефицитом водных ресурсов. По прогнозам, спрос на чистую воду увеличится на55% к 2050 году, при этом 20% грунтовых вод в мире уже сегодня подверженычрезмерной эксплуатации [137, 138].Многие регионы мира сталкиваются с различного рода проблемами на почвенеопределенности в нормативно-правовых актах и конфликтах с общественностьюпо вопросам потребления воды (рисунок 1) [139].Спрос на обессоленную воду различной степени кондиции формируется восновном следующими секторами экономики: бытовым водопользованием,энергетикой, промышленным производством и сельским хозяйством (рисунок 2).На сельское хозяйство приходится более чем две трети глобального использованияводных ресурсов.

С 1960 г. потребление воды на орошение земель возросло болеечем в два раза [2, 10, 18, 133].12Регионы мира, испытывающие различные сложностииз-за нехватки пресной воды [139]К 2050 году производственные мощности мирового сельского хозяйствапотребуется увеличить на 60%, а в развивающихся странах – на 100%, для тогочтобы обеспечить продовольствием возрастающую численность населения мира.Как ожидается, население Земли возрастет с 7,3 миллиардов в настоящее время до9,7 миллиардов к 2030 году и 11,2 миллиардов к 2050 году [14, 21, 136, 138].Мировое потребление водных ресурсов [133]13Проблема дефицита пресной воды может быть решена за счет опреснениясоленых вод. По степени минерализации природную воду принято подразделять напресную,слабосолоноватую,среднесолоноватую,слабосолёную,солёную,морскую воду и рассол, содержание солей в которых соответственно находится впределах 0…1, 1…3, 3…5, 5…10, 10…15, 15…45 и свыше 45 г/л.

На рисунке 3представлены данные по солености мировых водных бассейнов [119].Карта солености мировых водных бассейнов [119]Для питьевых и хозяйственных целей, включая орошаемое земледелие, заисключением пресной воды, без специальной подготовки используется толькослабосолоноватая вода. Соленую воду можно применять для питья и поливасельскохозяйственных культур только после снижения солесодержания долимитов, установленных СанПиН 2.1.4.1074-01 и РД-АПК 1.10.09.01-14 [72, 75,78].Промышленное опреснение является относительно молодой отраслью, но внастоящее время суммарная производительность опреснительных систем в миреуже приближается к 100 миллионам м3 в день. Непрерывно функционируют каккрупные опреснительные заводы производительностью до 1 миллиона м3/сутки,14так и установки средней и малой производительности для выработки пресной водыиз соленых вод и стоков различной степени минерализации и загрязненности [100].При выборе способа локального снабжения района пресной водой затраты натранспортировку играют определяющую роль.

Известны такие способы доставкиводы, как водоводы, танкеры, транспортировка водных ресурсов, айсберги,искусственный дождь. При удаленности потребителя пресной воды от места еепроизводства стоимость доставки может превышать стоимость производства внесколько раз [8, 17, 35,123].В автономных опреснительных установках малой производительностинуждаются небольшие поселения и частные сельские хозяйства прибрежной зоны(порядка 40% населения Земли проживает не далее 100 км от берегов океана) иудаленных районов, не имеющих доступ к пресной воде. Доступная вода в первуюочередь необходима в тех местах, где сельское хозяйство по-прежнему являетсяисточником благополучия населения, которое не может позволить себе высокиерасходы.

Необходим поиск решения проблемы обеспечения пресной водойудаленных местоположений, с учетом как существующих технологий, так и новыхболее экономичных [35, 100, 128, 129].Высокая востребованность в малогабаритных опреснительных установкахнаблюдается и на водном транспорте, нуждающемся в восполнении запасовпресной воды для обеспечения работы энергетической установки и дляудовлетворения бытовых нужд команды и пассажиров [45, 77, 79].Однако именно в установках небольшой производительности наименеерентабельно использование энергосберегающих технологий, а затраты наопреснение особенно велики. С другой стороны, большая часть исследованийсконцентрированы на разработке технологий для крупных опреснительныхзаводов.

Поэтому, наряду с развитием высокопроизводительных опреснительныхустановок стоит необходимость повышения эксплуатационных характеристикмобильных опреснительных комплексов [26, 76, 124].15РФ находится на первом месте в мире по объемам поверхностных пресныхвод. Но лишь 20% пресноводных источников расположено в центральных и южныхобластях с наибольшей плотностью населения и развитой инфраструктурой.Необходимость в опреснительных установках небольшой производительности вРоссии имеет место для населенных пунктов, расположенных вблизи источниковсоленой и солоноватой воды в регионах с жарким и сухим климатом (Крым,Дальний Восток, побережье Черного, Каспийского и Азовского морей, Ростовскаяобласть, Краснодарский край, Калмыкия) [1, 3, 14, 15, 46, 71].1.2 Обзор способов опреснения и водоподготовкиИзвестно большое количество способов опреснения воды.

По характерупроцесса опреснительные технологии могут быть разделены на две категории взависимости от наличия факта фазового перехода воды [35, 79].К способам опреснения, в которых не происходят фазовые переходы воды,относятся: электродиализ (ED) и обратный осмос (RO).Электродиализ − процесс электрохимического выделения солей израстворов электролитов благодаря их переносу через ионоселективные мембраныпод воздействием электрического поля.