Simulation, development and experimental investigation of a hybrid energy desalination system
Authors: Ντάβου Έρικα 
Published: September 2021

Ένα «υβριδικό ενεργειακό σύστημα αφαλάτωσης» είναι ένα δυναμικό σύστημα επεξεργασίας νερού που επιδεικνύει τόσο συνεχή όσο και διακριτή δυναμική συμπεριφορά, περιλαμβάνοντας ένα ευρύτερο σύνολο συστημάτων εντός της δομής του, επιτρέποντας μεγαλύτερη ευελιξία στη μοντελοποίηση δυναμικών φαινομένων. Στην παρούσα διατριβή και με σκοπό τη συμβολή στην εξελισσόμενη προσπάθεια προώθησης της έρευνας στον τομέα της αφαλάτωσης με τη μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης συνδυασμένης με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, διεξάγεται μια εκτενής έρευνα που απευθύνεται σε όλες τις βασικές πτυχές που σχετίζονται με το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία ενός υβριδικού συστήματος αφαλάτωσης με αντίστροφη ώσμωση. Το υπό έρευνα σύστημα είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα που αποτελείται από τρείς πανομοιότυπες μονάδες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με τη μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης οι οποίες θα λειτουργούν με την παραγόμενη ενέργεια από την σχεδιασμένη, κατασκευασμένη, εγκατεστημένη και ελεγμένη στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διβάθμιας θερμικής μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine. Βασικός στόχος της παρούσας εργασίας είναι να προσομοιώσει και να ερευνήσει πειραματικά τη λειτουργία της μονάδας αφαλάτωσης σε μεταβλητό ενεργειακό φορτίο, σαν αυτό που προκύπτει από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως για παράδειγμα οι ηλιακοί συλλέκτες. Η διβάθμια μηχανή Rankine που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί θερμότητα για να παράξει ηλεκτρική ενέργεια βασισμένη στο θερμοδυναμικό κύκλο Rankine και η ηλεκτρική αυτή ενέργεια θα τροφοδοτεί τις μονάδες της αφαλάτωσης.Η παρούσα έρευνα αποτελεί συνέχεια προηγούμενης ερευνητικής εργασίας που σχετιζόταν με το σχεδιασμό και την πειραματική αξιολόγηση ενός αυτόνομου συστήματος αφαλάτωσης με ηλιακό Οργανικό Κύκλο Rankine για λειτουργία σε θερμοκρασιακό εύρος από 60 έως 80 °C. Το παρόν σύστημα έχει σκοπό να προχωρήσει την έρευνα ένα βήμα μπροστά αυξάνοντας το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας στους 130 °C, με τη χρήση μιας διβάθμιας μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine, για τη διερεύνηση της βελτίωσης της απόδοσης και με τη χρήση πολυβάθμιας μονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης για λειτουργία σε ένα ευρύτερο πεδίο ενεργειακού φορτίου και την παραγωγή καθαρού νερού ακόμη και σε χαμηλό φορτίο. Οι τρεις βασικές συνιστώσες του πειραματικού συστήματος είναι: ο ηλεκτρικός θερμαντήρας ικανότητας 100 kWth ο οποίος χρησιμοποιείται σαν πηγή θερμότητας προσομοιάζοντας το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών για παράδειγμα (μεταβλητό φορτίο θερμότητας), η σχεδιασμένη και κατασκευασμένη διβάθμια μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine που μετατρέπει τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της εκτόνωσης ενός προηγουμένως συμπιεσμένου οργανικού ρευστού και τέλος οι τρεις όμοιες υπομονάδες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού αντίστροφης ώσμωσης που θα δεχθούν την ηλεκτρική ενέργεια από τη μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine και θα παράξουν φρέσκο πόσιμο νερό από θαλασσινό για ένα ευρύ πεδίο λειτουργίας.Η ενδελεχής προσομοίωση όλων των υποσυστημάτων οδηγεί στο λεπτομερή και προσεκτικό σχεδιασμό τους. Κατ’ αρχάς, η πλέον κατάλληλη διαμόρφωση διβάθμιου Οργανικού Κύκλου Rankine αναλύεται και υιοθετείται, και το πιο αποδοτικό οργανικό ρευστό (ψυκτικό) διαλέγεται ανάμεσα σε διάφορα υποψήφια. Οι ελικοειδείς εκτονωτές (τύπου scroll) της συγκεκριμένης εφαρμογής σχεδιάζονται με ιδιαίτερη έμφαση στα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά καθώς θα προκύψουν από τροποποίηση ελικοειδών συμπιεστών. Με αυτά, ο τελικός σχεδιασμός της μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine ολοκληρώνεται. Η προσομοίωση του θερμικού κυκλώματος επιλέγεται να γίνει με τη χρήση ενός ηλεκτρικού θερμαντήρα κατάλληλης δυναμικότητας για την εφαρμογή ενώ παράλληλα επιλέγεται και το κατάλληλο ρευστό για τη μετάδοση της θερμότητας που προκύπτει να είναι η μεθυλενογλυκόλη (MEG). Ακολουθεί ο σχεδιασμός της μονάδας αντίστροφης ώσμωσης βασισμένος στην αναμενόμενη παραγωγή ενέργειας από τη μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine.Όλες οι συνιστώσες των υποσυστημάτων επιλέγονται κατόπιν ενδελεχούς έρευνας και εκτίμησης και πραγματοποιείται η κατασκευή και συναρμολόγησή τους. Οι υπομονάδες της μονάδας αντίστροφης ώσμωσης είναι μονάδες αφαλάτωσης ίδιας δυναμικότητας, διαθέσιμες στο εμπόριο οι οποίες εγκαθιστώνται και συνδέονται στο εργαστήριο κατάλληλα μεταξύ τους. Η μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine κατασκευάζεται από το μηδέν, σε κοινό πλαίσιο που περιλαμβάνει όλο τον επιλεγμένο εξοπλισμό (αντλία, ατμοποιητή, συμπυκνωτή κτλ). Ειδικά οι ελικοειδείς εκτονωτές τροποποιούνται στο μηχανουργείο από διαθέσιμους στο εμπόριο ελικοειδείς συμπιεστές ώστε να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις τις συγκεκριμένης εφαρμογής. Η εγκατάσταση ηλεκτροβάνας ανάμεσα στους δυο εκτονωτές επιτρέπει την πλήρη παράκαμψη του πρώτου εκτονωτή ώστε η μηχανή να τίθεται σε μονοβάθμια λειτουργία. Όταν και τα δυο υποσυστήματα τοποθετούνται στο εργαστήριο, το πρωτότυπο- δοκίμιο είναι έτοιμο προς διερεύνηση.Η πειραματική αξιολόγηση ξεκινά με τον εργαστηριακό έλεγχο της μονάδας αντίστροφης ώσμωσης. Οι τρεις υπομονάδες συνδέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο και λειτουργούν σε μεταβλητό φορτίο (ρυθμίζοντας την ταχύτητα περιστροφής της αντλίας υψηλής πίεσης της κάθε μιας), σε διάφορες αλατότητες νερού τροφοδοσίας προσομοιάζοντας υφάλμυρο, βαρύ υφάλμυρο και θαλασσινό νερό και σε διαφορετικές θερμοκρασίες νερού. Διεξήχθη επίσης, θεωρητική έρευνα σχετικά με τη λειτουργία της επιλεγμένης πολυβάθμιας διαμόρφωσης της μονάδας αφαλάτωσης, που τροφοδοτείται από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα διαφόρων ικανοτήτων, σε διαφορετικές περιοχές του κόσμου για μια τυπική χειμερινή και καλοκαιρινή ημέρα και συγκρίνεται με μια συμβατική μονοβάθμια αφαλάτωσης. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας σκοπεύουν να αποδείξουν την προσφερόμενη ευελιξία ενός τέτοιου συστήματος.Η μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine που αναπτύχθηκε εξετάζεται σε ακόμη μεγαλύτερο βάθος σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας με σκοπό να αξιολογηθεί η συμπεριφορά της και η προσφερόμενη ευελιξία από τη διβάθμια διαμόρφωση. Η μηχανή εξετάζεται με ρεύμα δικτύου για χαμηλή θερμοκρασία (70 με 95°C) με νερό σαν εργαζόμενο μέσο στο θερμικό κύκλωμα για μονοβάθμια και διβάθμια λειτουργία σε μεταβαλόμενο θερμικό φορτίο ρυθμίζοντας τη συχνότητα της αντλίας και των εκτονωτών. Ακολουθεί η διερεύνηση για υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας (110 με 130 °C), με μεθυλαινογλυκόλη ως εργαζόμενο μέσο στο θερμικό κύκλωμα. Η παραγόμενη ισχύς οδηγείται σε ηλεκτρικά φρένα και καταναλίσκεται σε μια θερμική αντίσταση. Η λειτουργία των δυο εκτονωτών εξετάζεται ξεχωριστά καθώς αυτές οι συνιστώσες του συστήματος είναι τροποποιημένες και απαιτούν χάραξη των καμπυλών λειτουργίας τους για να αξιολογηθεί η συμπεριφορά τους. Τα αποτελέσματα πολυάριθμων δοκιμών σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας προσφέρουν μια πολύ ξεκάθαρη και ακριβή εικόνα της συμπεριφοράς της μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine.Τέλος, παρουσιάζεται επίσης θεωρητική διερεύνηση του ολοκληρωμένου συστήματος της μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine με τη μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης, που βασίζεται στα πειραματικά αποτελέσματα των ελέγχων κάθε υποσυστήματος που διεξήχθησαν. Η καθαρή παραγόμενη ισχύς από τη μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine για λειτουργία στους 120 και 130 °C (σημείο σχεδιασμού) οδηγείται στη μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης με σκοπό να εξεταστεί η παραγωγή καθαρού νερού υψηλής αλατότητας και η λειτουργία των υπομονάδων. Η διαδικασία του πλήρους σχεδιασμού, της κατασκευής και αξιολόγησης των υποσυστημάτων και του ολοκληρωμένου συστήματος ορίζει ξεκάθαρα τα πλεονεκτήματα των υβριδικών συστημάτων αφαλάτωσης. Επίσης, η τεχνογνωσία που αποκτήθηκε επιτρέπει την αναγνώριση και την αποτελεσματική διαχείριση των τεχνικών θεμάτων που σχετίζονται με τέτοια συστήματα. Συμπερασματικά, το σύστημα που αναπτύχθηκε αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο πρωτότυπο που παρουσιάζει επαρκή και αποδοτική λειτουργία στις πλείστες των συνθηκών στις οποίες εκτέθηκε και ασφαλώς αποτελεί ένα εξαιρετικό εφαλτήριο για μελλοντική έρευνα στον τομέα της αφαλάτωσης νερού με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ολοκληρώνοντας την παρούσα διατριβή, προτείνονται συστάσεις για μελλοντική έρευνα καθώς και προτάσεις για περαιτέρω ενίσχυση της αποδοτικής λειτουργίας εφαρμογών υβριδικών συστημάτων αφαλάτωσης νερού.