УСТРОЙСТВО МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПРЕССИИ ПАРА, ИМЕЮЩЕЕ НИЗКУЮ СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ
DEVICE FOR MECHANICAL STEAM COMPRESSION WITH LOW COMPRESSION DEGREE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится к обессоливающему устройству механической компрессии пара (МКП) (mechanical vapour compression, MVC), имеющему низкую степень сжатия.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Обессоливающее устройство с применением механической компрессии пара (МКП) или механической рекомпрессии пара (МРП) (mechanical vapour recompression, MVR) основано на трансформации кинетической энергии в работу сжатия первичного пара, чтобы достичь повышения давления и температуры вторичного пара. Вторичный пар выходит из компрессора и конденсируется на конденсационной стенке теплообменника скрытой теплоты, высвобождая скрытую теплоту конденсации, которая проходит через стенку теплообменника скрытой теплоты и преобразуется в скрытую теплоту испарения на испарительной поверхности, генерируя первичный пар, который снова вводится в компрессор для получения нового вторичного пара. Таким образом МКП - это устройство, в котором происходит рециркуляция практически всего скрытого тепла, и энергия, которую оно потребляет, это в основном механическая энергия для функционирования парового компрессора. Эта механическая энергия является малой долей энтальпии, возвращаемой в пар.
2
2
[003] Одна проблема известных МКП устройств заключается в том, что они используют жидкостные тонкопленочные теплообменники скрытой теплоты. Коэффициент теплообмена скрытой теплоты известных тонкопленочных теплообменников составляет около 2000 Вт/мK, достигая 6000 Вт/мK в вертикальных конфигурациях.
[004] Этот ограниченный коэффициент теплообмена скрытой теплоты означает, что для известных МКП устройств требуется высокий температурный градиент, тепловой подъем между первичным и вторичным паром. Этот перепад температур умножается в случае конфигураций многоступенчатой дистилляции (МСД) - механической компрессии пара (МКП) (multi-effect MED-MVC configurations). Известные МКП устройства выполнены с перепадами температуры или тепловыми градиентами между первичным и вторичным паром около 5 °C на каждый эффект или больше. Степень сжатия, соотношение между давлением сгенерированного пара и давлением исходного пара, для градиента 5 градусов составляет примерно 1,3, что выше, чем 1,2. Поэтому МКП устройства оборудованы компрессорами, которые, по определению, имеют степень сжатия 1,2 или более, в то время как вентиляторы достигают степень сжатия только 1,11, а воздуходувки имеют степень сжатия от 1,11 до 1,2. Чем выше градиент температуры между первичным паром и вторичным паром, тем выше перепад давления между первичным паром, который поступает в механический компрессор, и вторичным паром, который должен выйти из компрессора. Следовательно, необходимый механический паровой компрессор требует более высокой степени сжатия. Увеличение степени сжатия механического компрессора приводит к более сложной конструкции компрессора, к более высоким капитальным расходам, к более сложному техническому обслуживанию и более высокому потреблению энергии.
2
[005] Известны теплообменные трубы с высокой тепловой эффективностью, основанные на конденсации и капиллярном испарении с микроканавками на испарительной и конденсационной поверхностях, которые позволяют увеличить коэффициент теплопередачи скрытой теплоты выше показателей известных вариантов жидкостных тонкопленочных теплообменников, которые примерно 2000 Вт/мK. Повышение коэффициента теплопередачи скрытой теплоты уменьшает температурный градиент между конденсационной поверхностью и испарительной поверхностью теплообменника скрытой теплоты. Температурный градиент может быть снижен до дифференциала около 1°C на один эффект.
[006] Еще одна проблема известных МКП устройств заключается в том, что, поскольку им требуется степень сжатия более 1,2, они должны включать паровые компрессоры и не могут работать с воздуходувками или вентиляторами, а компрессоры имеют низкие скорости потока, что ограничивает производительность дистиллированной воды известных МКП устройств из-за относительно низкого потока пара, котором они могут управлять.
[007] Еще одной проблемой известных МКП устройств является перегрев вторичного пара, так как механическая компрессия пара вызывает повышение температуры насыщенного пара выше температуры равновесия между температурой и давлением. Этот перегрев пара умножается увеличением градиента давления, необходимого для достижения между первичным паром и вторичным паром. Перегрев требует процесса устранения и влечет за собой затраты энергии.
[008] Еще одной проблемой известных МКП устройств является повышение температуры первичного пара для достижения достаточной плотности для получения достаточного уровня эффективности механического компрессора за счет лучшего использования ограниченного объемного расхода компрессоров, имеющих высокую степень сжатия. Рабочая температура первичного пара обычно составляет от 50°С до 65°С. Требование повышения рабочей температуры первичного пара влечет за собой энергозатраты и повышает требования к теплоизоляции устройства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[009] Целью настоящего изобретения является решение одной или нескольких из перечисленных выше проблем, увеличение производительности обессоливания и снижение удельных затрат на выработку электроэнергии на единицу обессоленной воды посредством МКП обессоливающего устройства, имеющего низкую степень сжатия, как определено в формуле изобретения.
[0010] Новое МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, имеет следующие отличия:
- использование высокоэффективных теплообменников скрытой теплоты с высокими коэффициентами теплообмена скрытой теплоты за счет капиллярного испарения и конденсации, приводящим к тепловому подъему около 1°C или меньше на эффект вместо теплового градиента, составляющего 5°C или больше на один эффект, при использовании известных МКП устройств;
- снижение разницы температуры между первичным паром и вторичным паром и соответствующее снижение перепада давления между первичным паром и вторичным паром, ведущее к снижению степени сжатия ниже 1,11;
- снижение перепада давления позволяет снизить объем работы системы, т.е. снизить удельный расход энергии на единицу конденсированной воды;
- снижение степени сжатия ниже 1,1 позволяет заменить компрессор в известных МКП устройствах на вентилятор, который является механическим устройством, требующим более низкие капитальные затраты и более низкие затраты на техническое обслуживание, чем компрессор;
- использование вентилятора позволяет получить намного более высокие скорости потока, чем при использовании компрессора, что позволяет многократно увеличить количество обессоленной воды по сравнению с известными МКП устройствами, оборудованными компрессорами;
- МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, может работать при сниженных температурах первичного пара, так как оно не имеет требований по плотности пара, вытекающих из ограничений потока, налагаемых компрессором. Таким образом, температура первичного пара может быть снижена до температур близких или равных обычной температуре солевого раствора, подлежащего обессоливанию, снижая или устраняя энергозатраты, необходимые для увеличения рабочей температуры первичного пара;
- снижение перепада давления между первичным паром и вторичным паром снижает эффект перегрева вторичного пара, что соответственно сохраняет энергию;
- процесс рециркуляции практически всего первичного пара, типичного в МКП устройстве, достигается при более низком потреблении энергии, чем в известных МКП устройствах, таким образом снижая долю механической энергии, обеспечиваемой на рециркуляцию большой энтальпии. По этой причине удельный расход на единицу обессоленной воды находится на относительно близком уровне к теоретическому минимуму;
- таким образом, МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, позволяет достичь наиболее низкого удельного потребления энергии на единицу обессоленной воды среди промышленных систем обессоливания;
- низкое потребление энергии обессоливающей установкой, имеющей низкую степень сжатия, позволяет подключать ее к 100% возобновляемым автономным источникам энергии, таким как ветровые, фотоэлектрические или морские источники энергии.
[0011] Может быть создана модульная система, состоящая из более одной обессоливающей установки, каждая из которых имеет размеры, соответствующие формуле минимум-максимум, при которой затраты минимизируются, а выгоды максимизируются, с целью создания обессоливающих установок большей производительности, чем одно обессоливающее устройство.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Более подробное описание изобретения дано в следующем описании приложенных фигур:
на фиг.1 показана горизонтальная секция известного МКП устройства с компрессором,
на фиг.2 показана зигзагообразная секция испарительной конденсационной камеры с микроканавками, и
на фиг.3 показана горизонтальная секция МКП обессоливающего устройства, имеющего низкую степень сжатия, с вентилятором.
ОПИСАНИЕ
2
2
[0013] На фиг. 1. показана схема известной обессоливающей установки механической компрессии пара, имеющей трубчатый или камерный теплообменник 1 скрытой теплоты с добавлением солевого раствора на испарительную поверхность в нисходящем или восходящем тонкопленочном процессе. Известное МКП устройство может быть расположено горизонтально или вертикально. Известное МКП устройство имеет паровой компрессор 4, в который подается первичный пар 2 от испарительной поверхности теплообменника 1 скрытой теплоты. Компрессор 4 повышает давление первичного пара 2, генерируя вторичный пар 5. Вторичный пар 5 подается на конденсационную поверхность теплообменника 1, где он конденсируется, а сконденсированная вода 6 отводится из устройства. При конденсации вторичного пара на конденсационной поверхности теплообменника высвобождается скрытое тепло, и эта энергия передается через стенку теплообменника скрытой теплоты на испарительную поверхность, где энергия преобразуется в скрытую теплоту путем испарения части солевого раствора, получаемого на испарительной поверхности, образуя рассол 3, который выводится из устройства, и новый первичный пар 2, который возвращается в компрессор 4, перезапуская новый цикл. Солевой раствор стекает по испарительной поверхности теплообменника 1 в виде тонкой жидкой пленки. Тепловые сопротивления слоев воды ограничивают суммарный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты стенки известного теплообменника скрытой теплоты, который составляет около 2000 Вт/мК, и может достигать коэффициентов около 6000 Вт/мК при вертикальном расположении. Тепловые сопротивления, создаваемые слоями воды, требуют дифференциала или температурного градиента около 5°C или более. Существуют известные МКП устройства с более чем одним эффектом.
[0014] В результате процесса сжатия вторичный пар 5 испытывает явление, называемое перегрев. Температура первичного пара возрастает выше равновесной температуры по отношению к его давлению. Это подразумевает необходимость включения пароохладителя на выходе конденсатора 4 для устранения этого перегрева и соответственно потери энергии.
[0015] Известные МКП устройства обычно работают при температуре первичного пара от 55°С до 65°С, чтобы иметь пар с максимально возможной плотностью, не превышая 70°С во вторичном паре, чтобы избежать осаждения солей.
[0016] На фиг. 3 показана МКП обессоливающая установка с низкой степенью сжатия. Она может иметь вертикальную конфигурацию, как на фиг. 3, или горизонтальную конфигурацию. МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, имеет следующие специфические характеристики, которые отличают его от известного МКП устройства.
[0017] Это кожухотрубное или камерное устройство, работающее в субатмосферных условиях, а теплообменник 10 скрытой теплоты состоит из испарительно-конденсационных труб или камер, имеющих следующую конфигурацию:
- конденсационная поверхность этих труб или камер покрыта, по меньшей мере частично, микроканавками или другой капиллярной структурой, на которой водяной пар конденсируется в режиме капиллярной конденсации. Сечение, наклон и длина этих микроканавок или других капиллярных структур выбираются таким образом, чтобы с учетом потока энергии и скорости конденсации конденсированная вода поступала в капиллярные структуры и оставляла свободное от слоев воды пространство между концом мениска 8 и концом микроканавки или другой капиллярной структуры;
- испарительная поверхность этих трубок или камер покрыта, по меньшей мере частично, микроканавками или микро-волнистостями, на которых происходит испарение с конца менисков 7 соляного раствора, протекающего внутри микроканавок или микро-волнистостей. Сечение, наклон и длина этих микроканавок и расход соляного раствора внутри микроканавок или микро-волнистостей выбираются таким образом, чтобы с учетом расхода энергии и скорости испарения поток соляного раствора не высыхал вдоль этих микроканавок или микро-волнистостей и между концом мениска 7 и концом микроканавок или микро-волнистостей имелся зазор, свободный от слоев воды.
Как показано на фиг. 2, секция стенки в одной конфигурации этих испарительно-конденсаторных трубок или камер 10 принимает форму непрерывной, зигзагообразной, зубчатой или рифленой непрерывной линии. Таким образом, тепловой путь 9 свободен от слоев воды между точкой капиллярной конденсации на менисках 8 конденсированной воды, которые формируются на конденсационной поверхности, и верхним концом мениска 7 солевого раствора, где происходит испарение на испарительной поверхности. Таким образом, энергия передается, не проходя через слои жидкости.
2
[0018] Подача соляного раствора на испарительную поверхность испарительно-конденсаторных трубок или камер теплообменника скрытой теплоты осуществляется в пределах микроканавок или микро-волнистостей на испарительной поверхности. При этом подача соляного раствора не осуществляется в режиме нисходящего слоя воды, поэтому термическое сопротивление этих слоев воды не возникает на стенке теплообменника скрытой теплоты. Уменьшение или устранение тепловых барьеров слоев воды и тепловая эффективность капиллярной конденсации и испарения обессоливающего устройства позволяют получить очень высокий суммарный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты стенки теплообменника скрытой теплоты. Коэффициент теплопередачи скрытой теплоты теплообменников 10 скрытой теплоты обессоливающего устройства 25 может превышать 40 000 Вт/мК.
[0019] Высокий коэффициент теплопередачи скрытой теплоты испарительно-конденсаторных трубок или камер теплообменника 10 скрытой теплоты позволяет МКП обессоливающему устройству, имеющему низкую степень сжатия, требовать дифференциального или температурного градиента между первичным паром и вторичным паром только от 0,8°С до 0,2°С плюс температурный перепад, связанный с повышением точки кипения соляного раствора. Для морской воды перепад температур, связанный с повышением точки кипения, составляет около 0,5°С, так что перепад температур между первичным паром и вторичным паром в обессоливающем устройстве низок и колеблется от 1,3°С до 0,7°С или менее, т.е. перепад температур составляет около 1°С или менее.
[0020] Обессоливающее устройство предназначено для уменьшения теплового градиента между первичным паром и вторичным паром, чтобы уменьшить перепад давления между первичным паром и вторичным паром, что подразумевает снижение степени сжатия между вторичным паром и первичным паром до уровней ниже 1,11.
[0021] Уменьшение степени сжатия ниже 1,11 означает уменьшение потребности в затратах энергии для сжатия пара и снижение удельного расхода энергии на единицу обессоленной воды.
[0022] Снижение степени сжатия до уровней ниже 1,11 также используется для исключения компрессора 4 из известных устройств и введения устройства 14 вентиляторного типа с низкой компрессией. Вентилятор имеет более низкие капитальные затраты и более низкие эксплуатационные расходы, чем компрессор, и вентиляторы могут перемещать гораздо большие объемные потоки, чем компрессоры, поэтому стоимость вентилятора намного ниже, чем стоимость компрессора на единицу массового потока, и вентиляторы позволяют создавать устройства с более высокой производительностью, чем компрессоры.
[0023] Первичный пар 12, образующийся на испарительной поверхности теплообменника 10, направляется на вход 13 вентилятора 14, где давление пара повышается, образуя вторичный пар 15, который подается на конденсационную поверхность теплообменника 10 с высоким коэффициентом теплопередачи скрытой теплоты.
[0024] Вентилятор 14 может быть выполнен так, чтобы производить небольшое повышение давления. Важным преимуществом использования вентилятора 14 по сравнению с использованием компрессора 4 является то, что вентилятор 14 не имеет ограничений потока как компрессор, так что МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, может быть выполнено для повышения давления до высоких скоростей потока пара, что обеспечивает высокую производительность по дистиллированной воде.
[0025] Вентилятор 14 не имеет требований к плотности пара, вытекающих из ограничений потока, налагаемых компрессором. По этой причине он может работать без необходимости повышения температуры соляного раствора, подаваемого на испарительную поверхность, до температур, близких к 65°С, как в случае с известными МКП устройствами, в которые необходимо подавать первичный пар при температуре около 65 °С с соответствующей высокой плотностью. Вентилятор 14 может работать при температурах, равных или близких к исходной температуре воды для обессоливания, с соответствующей экономией энергии.
[0026] Низкая степень сжатия вентилятора 14, ниже 1,11, предполагает более низкие уровни перегрева, чем те, которые производятся компрессорами со степенью сжатия выше 1,2, с соответствующей экономией энергии.
2
[0027] Учитывая высокий коэффициент теплопередачи скрытой теплоты теплообменных пластин или труб скрытой теплоты, вариант МКП обессоливающего устройства, имеющего низкую степень сжатия, может быть разработан с градиентом температуры между первичным паром и вторичным паром 0,7°C или менее. В этом случае степень сжатия уменьшается до 1,06 или менее, а удельное потребление энергии уменьшается настолько, что расход энергии, подаваемой на МКП обессоливающее устройство, имеющего низкую степень сжатия, достигает самых низких уровней на единицу обессоленной воды среди всех промышленных обессоливающих устройств, с дополнительным преимуществом, что эта энергия может быть полностью обеспечена возобновляемым источником, вне сети, т.е. с практически нулевым выделением CO, это влечет за собой изменение парадигмы в области обессоливания и позволяет населенным пунктам с небольшим количеством энергетических и экономических ресурсов получить доступ к безопасной воде.
[0028] Вентилятор 14 может быть размещен внутри корпуса, как показано на фиг. 3, или может быть размещен в отдельном корпусе, соединенном воздуховодами.
[0029] МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, может быть использовано для обессоливания морской воды, солоноватой воды или других типов солевых растворов.
[0030] МКП обессоливающая устройство, имеющее низкую степень сжатия, может быть реализовано в модульной конфигурации, состоящей из более чем одного обессоливающего устройства, каждый из размеров которого соответствует формуле минимум-максимум, по которой затраты минимизированы, а выгоды максимизированы, для формирования обессоливающих установок с большей производительностью, чем одно обессоливающее устройство, для обеспечения высокой производительности и с сетевым подключением. МКП обессоливающее устройство, имеющее низкую степень сжатия, может быть реализовано в рамках недорогой конфигурации, предназначенной для населенных пунктов в отдаленных районах или с небольшими ресурсами, и может работать на 100% от возобновляемых источников энергии, вне сети.