Диссертация (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом), страница 6

Исследование процесса кипения в переходныхрежимах в условиях разрежения представляет отдельный независимый интерес.38Рекомендаций по выбору расчетных зависимостей для определениякоэффициента теплоотдачи при кипении воды в рассматриваемом диапазонедавлений на вертикальных трубах не было обнаружено. Возможность применениясуществующих обобщенных зависимостей должно быть экспериментальнообосновано.Еще одна особенность, напрямую связанная с температурным диапазономработы опреснительных установок, – необходимость использования предпусковыхэлектрических нагревателей для выхода дистилляционной установки на режим.Снижение температуры кипения исходной воды приводит к уменьшениюпотребной мощности ТЭНов и уменьшению времени выхода установки наустановившийсярежимработы.Увеличениестепениразряженияможетрассматриваться как один из способов снижения энергозатрат для мобильныхустановок с частыми циклами включения–выключения [7].При всем многообразии работ по описанию процессов опреснительныхдистилляционных систем с механической компрессией пара в свободнойлитературе не было обнаружено математической модели нестационарноготепломассобменного процесса выхода установки на режим [77, 79, 82, 89, 91, 96,101, 105, 108, 110, 116, 117, 131].

Однако наличие такой математической моделипозволило бы определять зависимость параметров работы установки от времени впроцессе выхода ее на режим и использовать полученные данные для повышенияэффективности процесса запуска системы.Существенно уменьшить энергопотребление опреснительных установоквозможно путем использования альтернативных источников энергии. Ожидается,что в ближайшем будущем использование альтернативных источников энергиистанетэкономическивыгодным,посколькурасходынавозобновляемыетехнологии продолжают снижаться, а цены на ископаемые виды топливапродолжают расти. В отдаленных регионах с низкой плотностью населения инеблагоприятной для передачи и распределения пресной воды и электроэнергии39инфраструктурой применение доступных возобновляемых источников энергии дляопреснения уже сегодня является эффективным решением [109, 107].Солнечнаярадиация,какнаиболеедоступный,возобновляемыйиперспективный источник энергии, находит свое применение в различных системах,в том числе опреснительных.

Известно большое количество бытовых опреснителейнебольшой производительности, работающих на солнечной энергии[16, 33].Значимым недостатком опреснительных систем, использующих солнечнуюрадиацию в качестве источникаэнергии, является прямая зависимостьпроизводительности от погодных условий. Разработка новых технологий должнабыть направлена на повышение универсальности и автономности опреснительныхустановок и создания систем, способных в качестве продукта наряду с преснойводой производить электроэнергию [32, 90, 113].401.4 Выводы по главе 11.Показана мировая потребность в пресной воде. Обессоливание воды –сложныйтехнологическийпроцесссбольшимикапитальнымииэксплуатационным затратами.

Для обеспечения чистой водой всех групп населенияв любой части мира необходимо продолжать разрабатывать высокоэффективные иэкономичные способы опреснения, пригодные для производства воды как впромышленном, так и бытовом масштабе.2.Обосновано, что для жителей удаленных районов, нуждающихся вустановках малой производительности, имеющих проблемы с водоподготовкой иотсутствиемквалифицированногоперсонала,предпочтительнымявляетсяиспользование дистилляционных систем с механической компрессией пара.3.Выявлено, что на сегодняшний день системы с механическойкомпрессией пара малой производительности обладают относительно высокимэнергопотреблением, особенно при кратковременных режимах работы, а такженуждаются в частом проведении регламентных работ для удаления накипи.Использование альтернативных источников энергии для производства преснойводы может существенно повысить автономность опреснительных систем малойпроизводительности.4.С целью улучшения эксплуатационных характеристик мобильныхдистилляционных опреснительных установок и определения их параметров работына пусковых режимах в рамках данной работы поставлены следующие задачи:1)Разработатьсхемноерешениемобильногодистиллятора,функционирующего в диапазоне температур кипения исходной воды 20…40 ºС,способного использовать альтернативные источники энергии.2)Обосновать корректность выбора расчетных зависимостей дляопределения коэффициента теплоотдачи при прогреве массы воды в свободном41объеменавертикальныхтрубахвусловияхвакуумированияпаровогопространства.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.42ГЛАВА 2.

Расчетно-теоретическое исследование2.1 Принципиальная схема ВТДВ ходе решения поставленных задач было разработано схемное решениемобильноготермическоговакуумногоспособатеплонасосногоопреснениясдистилляторамеханическим(ВТД)сжатиемнаосновепара[53].Принципиальная схема и рабочие процессы ВТД в диаграмме давление-энтальпияизображены на рисунке 16 и рисунке 17, соответственно.Принципиальная схема ВТД:І – герметичная камера с водяной ванной, ІІ – конденсатор-испаритель (КИ),ІІІ – основной вакуумный насос-компрессор, ІV – вспомогательный вакуумныйнасос, V –рекуперативный теплообменник (РТ), VІ – сборник дистиллята43Процессы ВТД: (а) – упрощенная принципиальная схема;І – герметичная камера с водяной ванной, ІІ – конденсатор-испаритель (КИ),ІІІ – основной вакуумный насос, ІV – вспомогательный вакуумный насос,V –рекуперативный теплообменник (РТ), VІ – сборник дистиллята;(б) – термодинамический цикл работы в p-i координатах:1-2 – нагрев исходной воды в РТ; 2-3 – догрев исходной воды в гермокамере;3-4 – выпаривание воды в гермокамере; 4-5 – сжатие паров дистиллята;5-6 – охлаждение паров дистиллята в КИ; 6-7 – конденсация паров дистиллята;7-8 – охлаждение дистиллята в РТ; 9-10 – охлаждение рассола в РТ44ВТД имеет в своем составе герметичную камеру с водяной ванной І, внутрикоторой ниже уровня жидкости размещен теплообменный аппарат конденсаториспаритель ІІ.

В рабочем режиме основной вакуумный насос-компрессор ІІІоткачивает водяные пары из камеры І. В ходе этого процесса происходит испарениечасти воды. При этом от объема жидкости осуществляется отъем тепла,пропорциональный теплоте испарения воды и скорости откачки. Водяные парынагнетаются насос-компрессором ІІІ в теплообменник ІІ, на внутреннейповерхности которого происходит конденсация водяного пара, а на наружнойстороне поверхности – кипение исходной воды.

Таким образом, теплота фазовогоперехода при конденсации паров воды в полной мере передается кипящей воде.В камере І поддерживается постоянный уровень жидкости путемнепрерывной подачи исходной воды с расходом, равным сумме расходов потоковдистиллята и рассола. Исходная вода подается в камеру І, проходя черезрекуперативный теплообменник V, в котором нагревается за счет теплообмена сотходящими из сосуда І потоками дистиллята и рассола. Рассол удаляется изустановки в количестве, необходимом для поддержания заданной степениизвлечения дистиллята.Вспомогательный вакуумный насос IV соединен со сборником дистиллята VІи предназначен для создания необходимого уровня вакуума в системе передзапуском основного вакуумного насос-компрессора ІІІ. В процессе работы насосIV включается кратковременно для откачки воздуха, растворенного в подводимойисходной воде.Отвод потоков дистиллята и рассола из полости гермокамеры может бытьорганизован без использования жидкостных насосов благодаря созданиюнеобходимого гидростатического напора жидкости.ВкачествебазовоговариантаКИвыбранвертикальнотрубныйтеплообменный аппарат, обеспечивающий благоприятные условия теплообмена иобладающийпростойконструкцией,засчетчегодостигаетсямеханической очистки от накипи и низкая стоимость оборудования.легкость45ВТД позволяет осуществлять выпарку воды при пониженных температурахв диапазоне 20…40 ºС (соответствует давлению насыщения воды 2350…7400 Па),что определяет преимущества способа: стабильныепоказателитеплофизическихсвойстввсистеметеплопередающая поверхность – опресняемая вода; возможность опреснения воды повышенной степени солености изагрязненности; возможностьработыустановкибезблокаприготовленияидозирования реагентов; увеличение интервалов технического обслуживания; возможность работы без использования предпускового нагревателя; создание и поддержание вакуума эффективным способом безиспользования водоэжекторного блока; отсутствие повышенных требований к конструкционным материалам; малые потери тепла в окружающую среду; минимальная нагрузка на РТ; удовлетворительные показатели энергоэффективности даже при малыхпроизводительностях.Для создания мобильных опреснительных установок на основе изложеннойконцепциипредлагаетсяиспользоватьдвухроторныйвакуумныйнасос-компрессор типа РУТС (ДВН) в качестве основного средства сжатия иперемещения водяных паров.ДВН – бесконтактный вакуумный насос-компрессор объемного принципадействия с внешним сжатием.

Рабочая камера ДВН образуется корпусом ироторами (с профилем, как правило, в виде восьмерки) синхронно вращающимисяв противоположных направлениях. Благодаря гарантированным зазорам междуроторами и между ротором и стенкой корпуса система не нуждается в смазке.Частота вращения составляет 3000 об/мин и выше. Степень повышения давленияпри использовании ДВН лежит в пределах от 10…20 при среднем вакууме до461,5…2 при давлении близком к атмосферному. Подробно конструкция и принципдействия ДВН описаны в [9, 84, 87].В России выпуском ДВН занимается ОАО «Вакуумаш», производя двемодели ДВН НВД-200 и НВД-600, номинальной производительностью поусловиям всасывания 180 и 550 м ⁄ч, что сопоставимо производительности подистилляту при температуре кипения t кип30°С 3,4 л⁄ч и 12,5 л⁄ч,соответственно [62].Такие конструктивные особенности ДВН как отсутствие масла в рабочейполости, высокие скорости откачки, простота устройства и динамическойбалансировки роторов, небольшие габариты и масса позволяют говорить овозможности его использования в опреснительных установках теплонасосноготипа малой производительности.Существенным недостатком ДВН является внешнее сжатие рабочеговещества, что ведет к перерасходу энергии по сравнению с машинами,осуществляющими внутреннее сжатие.