Диссертация (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом), страница 7

Но благодаря способности ДВН работатькак в режиме насос-компрессора, так и в режиме детандера (адиабатный КПДηДВН ~0,5[42, 63]) без изменения конструкции, потребление электроэнергии наопреснение может быть сведено к минимуму. С учетом предложенной ранее проф.Б.Т. Маринюком концепции вакуумной энергоустановки (патент № 2265730 РФ),разработано схемное решение (заявка на патент № 2017106873 от 02.03.2017),представленное на рисунке 18, позволяющее совместить процесс опреснения сгенерацией электроэнергии за счет использования тепла солнечной радиации [54].Вакуумная энергоустановка функционирует следующим образом. В режимегенерации электроэнергии теплоноситель, предварительно нагретый в солнечномколлекторе 4, подается насосом 16 в теплообменный аппарат 3, в результате чеговода в гермокамере 1 нагревается и при достижении температуры насыщения,соответствующей уровню вакуума, начинает кипеть. При открытым необходимымобразом трехходовом клапане 9 конденсация паров дистиллята в теплообменнике5 за счет отвода тепла проточной исходной воде, подаваемой насосом 17, вызывает47движение потока пара от гермокамеры 1 к сборнику дистиллята 11 черезвакуумный насос 6.

Проходящий через насос 6 поток пара приводит во вращениероторы, момент движения которых позволяет вырабатывать электрический ток ипосредством преобразователя 14 запасать энергию в электроаккумуляторе 15.Принципиальная схема вакуумной опреснительной энергоустановки:1 – герметичная камера с водяной ванной; 2 – КИ; 3 – теплообменник;4 – солнечный коллектор; 5 – теплообменник для конденсации паров дистиллята;6 – ДВН; 7, 8, 9, 10 – трехходовые клапана; 11 – сборник дистиллята;12, 13 – рекуперативные теплообменники; 14 – преобразователь тока;15 – электроаккумулятор; 16, 17 – жидкостные насосы; 18 – обратные клапана48При отсутствии возможности использования энергии солнечной радиациидля выпаривания исходной воды установка работает в режиме опреснения поописанному выше принципу работы ВТД с потреблением сетевой или запасеннойв аккумуляторе 16 электроэнергии.

Для этого трехходовой клапан 9 переключаетпоток паров дистиллята на КИ, а ДВН откачивает водяные пары из гермокамеры 1.При объемном расходе пара по условиям всасываниятемпературе кипения воды в гермокамеревхвых0,15м /с,70°С (давление на входе в ДВНкип31201Па), температуре конденсациивскон30°С (давление на выходе ДВН4247Па), и учитывая, что адиабатный КПД двухроторной турбинысоставит порядка 0,5, полученная мощность на валу будет равна:детвс∙∙вх4,3кВтДВНПринимая, что мощность вспомогательного оборудования не превыситболее1 кВт, полезная мощность составитп3,3кВт.2.2 Энергетический баланс ВТДТепловой баланс одноступенчатой выпарной установки записывается в виде[50]:пдро.с.ис ,Вт,(2.1)гдепдро.с.ис– подводимая энергия для осуществления процесса дистилляции, Вт;– теплота, отведенная с дистиллятом, Вт;– теплота, отведенная с рассолом, Вт;– потери теплоты в окружающую среду через стенки аппаратов, Вт.– теплота, подведенная с исходной водой, Вт;49Авторами работы [29] был предложен подход к оценке подводимой энергиик дистиллятору на базе парокомпрессионного теплового насоса, где в качествеопределяющих параметров были выбраны:– массовый расход дистиллята, кг/с;– степень извлечения дистиллята;– температура исходной воды на входе в РТ, °С;– недорекуперация тепла в РТ, °С.дд⁄ иисΔнс учетом которых:р∙ 1⁄д ∙ исд ∙ исдр– расход рассола, кг/с;– температура дистиллята на выходе из РТ, °С;– температура рассола на выходе из РТ, °С.1ΔнΔндВ конечном счете получена формула для расчета подводимой энергии:д∙п1∙∙иснис∙исдр∙исн,Вт,(2.2)гдед , р , ис– теплоемкости при постоянном давлении дистиллята, рассола,исходной воды, Дж⁄ кг ∙ K .Необходимо отметить, что в формуле (2.2) не учтены потери тепловые потерив окружающую среду.

Но при отсутствии мер по снижению теплового потока вокружающую среду, потеря тепла через стенки аппаратов дистилляционнойустановки может превышать в несколько раз потребляемую мощность на сжатиерабочего вещества.Формула (2.2) с учетом потерь тепла в окружающую среду:пд∙1∙∙ис нис∙исд∙р∙исап∙низ ,Вт,(2.3)50гдеапΔизапо.с.– коэффициент теплопередачи через стенку аппаратов,Вт⁄ м ∙ К ;– площадь теплообменной поверхности аппаратов, м2;– разность температур поверхности аппарата иокружающей среды, °С.На рисунке 19 приведен график минимально необходимой подведенноймощности для осуществления процесса дистилляции в зависимости от разноститемператур поверхности аппарата и окружающей среды производительностью10 л⁄ч для следующих условий:ап1м ;ио.с.20 ; Δ0,5; соленость исходной воды sисдистиллята определена по справочным даннымТеплоемкостьисходной3917 Дж⁄ кг ∙ Kводыирассолаиз(ди2 ;20 Вт⁄м ∙ К;30г/кг.

Теплоемкость4183 Дж⁄ кг ∙ K[11].4050 Дж⁄ кг ∙ K ,определена в соответствии с данными источников [13, 22].Зависимость подводимой мощностиΔнпот температурного напорамежду горячей стенкой аппарата и окружающей средой.Доля тепла, рассеиваемая в окружающую среду, при работе ВТД сводится кминимуму за счет близости температур кипения воды в гермокамере иокружающей среды.51Подведенная мощностьпв схеме с механической компрессией паратождественна полезной мощности компрессора. Исходя из представления опроцессе изохорного сжатия газовой среды в первом приближении принимается,что вся потребляемой вакуумным насос-компрессором типа РУТС электрическойДВН затрачиваетсяэнергиина нагрев паров дистиллятапер ~ ДВН[55].Потребляемая мощность ДВН для стандартных режимов работы в связке cфорвакуумным насосом вычисляется по формуле [84]:кипДВН∙конкип,ДВНВт,(2.4)где– производительность на всасывании (скорость откачки), м3/с.Вводится предположение, что при близких температурах кипения воды вгермокамере и окружающей среды теплота, подводимая в процессе повышениядавления паров дистиллята посредством ДВН, будет превышать потребность вэнергии на нагрев исходной воды до температуры кипенияперртдог .Втаком случае надобности в использовании РТ в установке не возникает, что, в своюочередь,упрощаетконструкциюиобслуживаниеустановки,уменьшаеткапитальные затраты и массогабаритные показатели.Рассматривая формулу (2.3) применительно к ВТД без РТ запишем:1д∙п∙∙ри∙ид∙д∙р∙ап∙из ,Вт ,(2.5)гдед, р– температура дистиллята и рассола на выходе из установки, °С;Приняв ряд допущений: неизменность теплоемкости воды в зависимости от концентрациирастворенных солей;52 равенство температуры рассола и средней температуры кипения водыв гермокамерекип ;р равенство температуры дистиллята в КИ и температуры конденсациипаровкон ;дпреобразуем к виду:пдп∙д∙дог3600 ∙д∙КИап∙издкВт ∙ чм,(2.6)гдеΔдог ΔКИ кип – искон–кип– разность температур кипения воды в гермокамере ипитающего потока воды, °С;– разность температур кипения воды в гермокамере иконденсации дистиллята, °С.На рисунке 20 показано сравнение минимальной удельной необходимойподведенной энергии, определенной по формулам (2.5) и (2.6) при условиях:30 ;апконд35 ;о.с.20 ;0,5; sискип2 Вт⁄ м ∙ К ;30г/кг;1м .Как видно из уравнения (2.6) параметрып,ΔКИ ,Δдог ,Δизижесткосвязаны между собой.

Уменьшение относительного массового расхода рассола, т.е.доли исходной воды, не возвращающей свою часть теплоты в систему, полученнуюпри нагреве до температуры кипения, позволяет снижать энергоемкость процессаопреснения.В тоже время с увеличением степени извлечения дистиллята растетинтенсивность отложения солей на теплообменной поверхности, что особеннокритичнодляустановок,работающихпритемпературахкипения,соответствующих атмосферному давлению. Для ВТД этот фактор имеет меньшеезначение в силу особенностей процесса отложения солей при низких температурахкипения, которые кратко отмечены в первой главе.53Расхождение расчетных формул (2.5) и (2.6)На рисунке 21 и рисунке 22 приведена оценка минимальной удельнойподведенной энергиинапоров ΔsисКИиΔ30г/кг;догпдля работы ВТД без РТ в зависимости от температурныхдля следующих условий работы:2 Вт⁄ м ∙ К ;При параметрах работыапкип30 ;о.с.20 ;1м .0,7, ΔКИ5и Δдог5минимальнаяудельная энергия на опреснение воды составляет порядка 15 кВт ∙ ч⁄м .

Однако вдействительности потребляемая мощность ВТД в первую очередь зависит отхарактеристик ДВН. Поскольку данных о работе ДВН при рабочих давлениях,соответствующих температурным уровням ВТД, в свободном доступе не былообнаружено, вопрос о величине эффективной скорости откачки и потребляемоймощности двухроторного вакуумного насос-компрессора остается открытым итребует экспериментальной проверки.54Минимальные удельные затраты энергии(1) – ΔКИ2 , (2) – ΔКИ5 , (3) – ΔКИМинимальные удельные затраты энергии(1) – ΔКИ2 , (2) – ΔКИ5 , (3) – ΔКИппри0,5:10ппри100,7:552.3 Теплоотдача при фазовых превращениях водыв условиях разрежения парового пространстваВ области низких давленийинтенсивностьтеплоотдачи,прикип≪ 10 Па существенно уменьшаетсяэтомзависимость коэффициента теплоотдачинаблюдаетсякипболеезначительнаяот удельного теплового потокавпереходной зоне по сравнению с областью развитого кипения.

Появляютсяхарактерныеособенности:существенноменьшееколичествоцентровпарообразования, проявлении нерегулярного, пульсирующего во времени процессапарообразования, возникновение значительных перегревов жидкости [57].Снижение давления приводит к понижению температуры насыщения иувеличения удельного объема, в следствии чего уменьшается кинетическая энергиямолекул, а силы сцепления между ними, напротив, увеличивается [39].Минимальный радиус пузырякр2∙∙нас ⁄∙ ′′ ∙ ∆со снижениемдавления увеличивается в несколько раз из-за уменьшения плотности пара,увеличения поверхностного натяжения. Так, например, при давлениекр10кПавозрастает в 3…4 по сравнению с нормальным давлением (в процессе кипенияпри атмосферном давлении отрывные диаметры паровых пузырьков обычносоставляют 5…10 мм) [39].В свою очередь, увеличение работы выхода и критического радиуса паровогозародышакр ,приводят к повышению температурного напора начала кипения ∆и значительным перегревам жидкости и теплопередающей поверхности.

К моментуобразования пузырька как в жидкости, так и в греющей стенке создаются большиезапасы энергии, расходуемой в дальнейшем на парообразование. В условияхнизких давлений при высоких значениях числа Якоба ∆ ∙ с ∙ ′⁄ ∙ ′′ даженебольшой перегрев жидкости создает большие возможности для образованияпаровых пузырей, поскольку величина, определяемая произведением∙ ′′, из-занизкой плотности весьма мала. Это вызывает значительное увеличение скорости56ростапаровыхпузырей,процессобразованияпаровыхпузырейноситвзрывнообразный характер. По данным Н.Н. Мамонтовой [52], скорость ростапаровых пузырей при кипении на трубке диаметром 3,2 мм для воды при давлении12 кПа возрастает по сравнению со скоростью роста при атмосферном давлении в2 раза.Высокие скорости роста паровых пузырей сказываются на том, чтосущественно возрастает сила инерции, препятствующая отрыву пузырьков, что также способствует увеличению диаметра [57].Осложнение условий зарождения пузырей приводит к существеннымтрудностям в образовании паровой фазы, вследствие чего режим свободнойконвекции жидкости (линия АБ на рисунке 23) затягивается в область высокихперегревов (линия БВ.) Это обстоятельство отмечалось как отечественными, так изарубежными исследователями процесса кипения в вакууме [19, 25, 39, 52, 41, 80,122,125].Верхняяграницаэтихперегревовопределяетсяспонтаннымобразованием паровых зародышей в объеме жидкости [27].Общий вид характера зависимости теплового потока qот перегрева жидкости ΔtВ условиях пузырькового кипения в большом объеме наблюдается слабаязависимостькоэффициентатеплоотдачиоториентациитеплоотдающейповерхности.