Тепломассообмен в системе опреснения морской воды c солнечным нагревателем

УДК 536.423.4

К.М. Арефьев, В.К. Арефьев, Е.Д. Федорович, М.Х. Шаркави

ТЕПЛОМАССООБМЕН В СИСТЕМЕ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ

C СОЛНЕЧНЫМ НАГРЕВАТЕЛЕМ

Получение опресненной воды в промышленных масштабах осуществляют сейчас главным образом выпариванием солей из морской воды, используя теплоту сгорания органического топлива, а также установки обратного осмоса. Эти способы — весьма энергоемки. В условиях возрастающего дефицита и повышения стоимости органического топлива во многих странах мира ведутся изыскания альтернативных способов опреснения морской воды. Следует учитывать, что постоянно возрастающая потребность в пресной воде должна удовлетворяться как ее крупнотоннажными производствами (для нужд мегаполисов и промышленных производств), так и относительно маломощными установками (для местных нужд и сельхозпроизводства). В первом случае перспективно использование ядерного энергоисточника, экономичность которого растет с ростом его мощности. Во втором случае целесообразно использовать местные энергоисточники. Для территорий с большим числом солнечных дней в году в этих целях весьма перспективно использование энергии Солнца.

Настоящее исследование было инициировано в связи с разработками систем опреснения на солнечной энергии, начатыми в Массачусет-ском технологическом институте (США) совместно с Университетом нефти и минеральных ресурсов им. короля Фахда (Саудовская Аравия). Приведенные в публикации [1] результаты этих разработок относятся главным образом к термодинамическому анализу возможных циклов опреснительных установок. Исследования [1] не касались внутренних теплообменных процессов в отдельных элементах оборудования этих установок. В то же время ясно, что реальная их осуществимость зависит и от возможностей реализации процессов течения и теплообмена теплоносителей (в данном случае — вода, воздух) в аппаратах реальных размеров, от их стоимости и т. п.

В работе [1] приведены результаты сравнения двух различных типов установок опреснения — с подогревом от солнечного источника циркулирующей в системе воды и с подогревом циркулирующего в ней воздуха. В обоих случаях общая идея организации процесса одинакова. Эта идея состоит в увлажнении потока воздуха путем разбрызгивания и испарения в нем капель морской воды с последующей конденсацией парового компонента влажного воздуха, освобожденного от солей.

В схеме с подогревом воды в аппарат-увлажнитель подается от нагревателя горячая вода, а в схеме с подогревом воздуха на вход в увлажнитель подается вода, нагретая в конденсаторе. В обеих схемах воздух циркулирует по замкнутому контуру, отводящаяся из увлажнителя часть морской воды («рассол») удаляется из системы, а опресненный компонент отводится из осушителя — конденсатора.

В работе [1] показаны следующие преимущества второй схемы по сравнению с первой, определившие наш выбор именно второй схемы для более подробного анализа: вторая схема действует при более высоком температурном уровне в нагревателе; поскольку водяной поток в увлажнителе передает теплоту воздушному потоку, общая степень регенерации (возврат теплоты) в цикле получается большей во второй схеме.

В целом производительность (по пресной воде) второй схемы примерно на 25 % выше, чем первой, при одинаковых температурных уровнях и одинаковой подводимой к системе тепловой мощности.

На рис. 1 показан вариант системы опреснения, действующей по схеме с подогревом влажного воздуха. В ней в целях дополнительного повышения производительности установки минимизирована влажность воздуха после осушителя-конденсатора при одновременном повышении влажности после увлажнителя. Этот

4-

Природопользование

эффект достигается за счет включения в схему термокомпрессора (вместо механического вентилятора) с пароструйным эжектором. Таким образом, после увлажнителя давление воздуха растет, а влажность падает.

Цель настоящей статьи — наряду с изложением общего принципа действия установки опреснения морской воды с солнечным нагревателем — проведение детального анализа процесса в ключевом для всей системы аппарате, а именно в осушителе нагретого воздуха — конденсаторе водяного пара, охлаждаемом морской водой.

Для выполнения расчетных оценок этого процесса необходимо определиться с входными параметрами теплоносителей (охлаждающая вода, влажный воздух), а также задаться геометрическими размерами каналов конденсатора.

В качестве рабочего диапазона входных параметров был взят диапазон, рекомендуемый в [1].

Термодинамические и балансовые расчеты позволяют подобрать необходимые сочетания расходов влажного воздуха и охлаждающей воды в различных условиях. Однако реальные представления о полноте выделения влаги в конденсаторе можно получить лишь при выполнении полных теплогидравлических расчетов. Задача осложняется тем, что в конденсаторе нужно не только получить пресную воду, но и нагреть охлаждающую морскую воду от входной температуры до 60 °С или выше. При этом объемный расход охлаждающей воды должен быть очень небольшим из-за высокой плотности и теплоемкости воды.

Конструктивная схема конденсатора принята в виде обменивающихся теплотой плоских каналов для паровоздушной смеси и охлаждающей воды (пластинчатый теплообменник). Ширина каналов прямоугольного сечения по длинной стороне — 100 мм; длина (высота) каналов — 2000 мм. Ширина каналов по короткой стороне (зазор) для влажного воздуха — 50 мм, а для охлаждающей конденсатор воды — 3 мм.

Относительное движение воздуха и воды в конденсаторе — противоточное: воздух — вниз, охлаждающая вода — вверх.

Для проведения моделирования тепломас-собмена при конденсации воды из влажного воз-

Рис. 1. Схема опреснительной установки с подогревом влажного воздуха: 1 — увлажнитель; 2 — конденсатор; 3 — пароструйный эжектор; 4 — солнечный нагреватель воздуха; 5 — подача пара на эжектор; — воздух; — морская вода; — конденсат

духа в этих каналах были разработаны алгоритм и компьютерная программа.

Алгоритм и компьютерная программа составлены на основе дифференциальных уравнений тепло- и массообмена для влажного воздуха и теплообмена для воды.

В уравнении для тепломассообмена в воздушном канале учтено влияние стефановского потока. Стефановский поток при конденсации на поверхности вызывается уходом массы пара при фазовом переходе на этой поверхности. Возникает поток среды к поверхности, увеличивающий диффузию пара. Вывод формулы для стефановского потока приводится, например, в статье [2] (для двухкомпонентной смеси «пар — неконденсируемый газ»).

В программе плотность потока пара определяется аналогичной приведенной в [2] формулой

р 1 - ^

ЯТ

1

п 5

где Р — давление влажного воздуха; Рп — парциальное давление пара в потоке влажного воздуха; Рш — парциальное давление пара у поверхности пленки конденсата; — молекулярная масса пара; Я — универсальная газовая постоянная; Т — температура влажного воздуха; ав — коэффициент массоотдачи.

2

1

Коэффициент массоотдачи определяется формулой

=

где — диффузионное число Нуссельта; ^экв — эквивалентный диаметр воздушного канала; ^12 — коэффициент взаимной диффузии в паровоздушной смеси [3].

В программе учитывается перенос теплоты к поверхности пленки конденсата потоком пара, а также конвективный теплоперенос, отвечаю -щий разности температур потока и пленки конденсата. На стороне охлаждающей воды имеется только конвективный теплообмен. Учитывается тепловое сопротивление стенок, а также пленки конденсата. Пленка конденсата получается очень тонкой (не более 0,02—0,03 мм), и ее тепловое сопротивление в условиях рассматриваемой задачи невелико.

При расчетах конденсатор разбивался на узкие зоны (шаги) начиная со стороны подачи воздуха — сверху.

Для каждой зоны проводилось решение указанных выше дифференциальных уравнений. Полученные соотношения использовались в программе для численного расчета всех величин, характеризующих работу конденсатора в данной зоне. Результаты расчета принимались как начальные для следующей зоны.

Внутри каждой зоны для уточнения расчета выполнялось необходимое число итераций. Подобный расчет продолжался до выходной зоны.

При изменении длины зон (шагов) от 2 до 20 мм конечные результаты расчета конденсатора практически не отличались.

Теплофизические и термодинамические свойства пресной воды и пара, морской воды и воздуха в программе определялись по работам [4-6].

Проведенные расчеты, выполненные в предположении образования на вертикальных пластинах (плоские стенки) конденсатора сплошной пленки пресной воды, в общем показывают достаточную работоспособность осушителя воздуха — определяющего элемента опреснительной установки рассматриваемого типа.

Однако имеются опытные данные [7, 8], показывающие, что конденсация водяного пара из потока влажного воздуха внутри горизонтальных охлаждаемых снаружи плоских или цилиндрических латунных и стеклянных каналов может

носить капельный характер. При скоростях воздуха более 5 м/с капли могут срываться потоком со стенок и дробиться.

Необходимо отметить, что даже в случае капельной конденсации (в конденсаторе рассматриваемого типа) будут обеспечиваться значения парциального давления пара, отвечающие насыщению при температуре стенок. Таким образом будет обеспечен подвод пара к поверхности. Если на стороне выхода осушенного воздуха будет организовано улавливание сорванных капель конденсата, то конденсатор будет работать в условиях, не сильно отличающихся от расчетных.

В расчетах пока не учитывалось влияние начальных участков каналов. Реально при учете начальных участков коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи будут несколько выше, что пойдет в запас расчета.

Расчеты проводились для нескольких значений относительной влажности воздуха на входе в аппарат, геометрических размеров каналов, расходов воздуха и воды. Во всем исследованном диапазоне расходных параметров теплоносителей режим течения воздуха был турбулентным, а морской воды — ламинарным.

В таблице приведены результаты расчетов для трех характерных режимов работы конденсатора с плоскими каналами.

Набирая достаточно большое количество каналов в одном аппарате (порядка нескольких десятков и сотен), можно обеспечить заданную производительность установки.

На рис. 2-4 приведены расчетные кривые распределения по длине канала влагосодержания воздуха, температур воздуха, стенки и охлаждающей воды, парциальных давлений пара в потоке и у поверхности пленки для варианта 70 %-й относительной влажности на входе.

Разработанная программа позволяет определять локальные характеристики не только пластинчатых, но и кожухотрубных конденсаторов, что может быть необходимо при выборе оптимальных конструкций конкретного назначения.

Следует заметить, что при полном тепловом расчете опреснительной установки, т. е. при включении в расчет процессов изменения параметров теплоносителей при увлажнении воздуха и его подогреве в солнечном нагревателе, необходима увязка (балансирование) расходов

экв

Природопользование

Результаты расчетов конденсации

Параметры Значения параметров при относительной влажности воздуха

на входе

40 % 50 % 70 %

Расход сухого воздуха, кг/час 85,0 85,0 85,0

Расход пара на входе, кг/час 12,24 16,23 25,9

Температура воздуха на входе, °С 80,0 80,0 80,0

Температура воздуха на выходе, °С 68,8 69,9 72,9

Расход охлаждающей воды, кг/час 95,0 95,0 95,0

Температура охлаждающей воды на входе, °С 25,0 25,0 25,0

Температура охлаждающей воды на выходе, °С 45,5 49,9 60,1

Относительная влажность воздуха на выходе, % 53,1 63,4 81,0

Зазор канала по воздуху, мм 50 50 50

Зазор канала по воде, мм 3 3 3

Концентрация солей в охлаждающей воде, г/кг 35 35 35

Скорость воздуха на входе, м/с 5,8 6,23 7,0

Скорость охлаждающей воды на входе, м/с 0,086 0,086 0,086

Выход опресненного конденсата, кг/час 2,24 3,41 5,15

Р, Па 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Длина, м

Рис. 4. Распределение парциального давления пара по длине каналов конденсатора

Т, °С

) 0,2 0,4 0,6 0

Длина, м

Длина, м

. 2. Влагосодержание й воздуха по длине каналов Рис. 3. Распределение температур по длине каналов конденсатора конденсатора (1 — воздух; 2 — стенки канала и по-

верхность пленки; 3 — охлаждающая вода)

кг сух. возд

получаемого в увлажнителе, перегреваемого в нагревателе и конденсируемого пара. Такая увязка должна быть сделана при выборе и ра-

счете конструкций всех аппаратов, участвующих в цикле установки. Она является задачей наших дальнейших исследований и разработок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Govindan, P.N. Status of humidification dehumid-ification desalination technology [Текст] / Govindan P.N., McGovern R.K., Thiel G.P. [et al.] // Proc. of World Intern. Desalination Association (IDA) Congress.— Perth, Western Australia.— September 4-9, 2011.— 20 p.

2. Арефьев, К.М. Определение коэффициента диффузии паров кадмия и магния в газах методом Стефана [Текст] / К.М. Арефьев, М.А. Гусева, Б.М. Хомченков // Теплофизика высоких температур.— 1987. Т. 25. № 2.— С. 250-255.

3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент [ Текст]: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, В.М. Зорина.—2-е изд., перераб.— М: Энергоатомиз-дат, 1988.— 560 с.

4. Александров, А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара [Текст ]: Справочник / А.А. Александров, Б.А. Григорьев.— М.: Изд-во

МЭИ, 1999.- 168 с.

5. Sharqawy, M. H. The thermophysical properties of seawater: A review of existing correlations and data [Текст] / M.H. Sharqawy, J.H. Lienhard, S.M. Zubair // Desalination and Water Treatment.— 2010. Vol. 16.— P.354—380.

6. Бурцев ,С.Н. Влажный воздух. Состав и свойства [Текст ]: Учеб. пособие / С.Н. Бурцев, Ю.Н. Цветков.— СПб.: Изд-во СПбГАХПТ, 1998.— 146 с.

7. Бакластов, А.М. Тепло- и массоотдача при конденсации пара из влажного воздуха [Текст] / А.М. Бакластов, Ж.Ф. Сергазин // Известия вузов. Энергетика. 1965. № 2.— С. 59-64.

8. Смольский, Б.М. Тепло- и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха в узких каналах [Текст] / Б.М. Смольский, П.А. Новиков, Л.А. Щербаков // Инженерно-физический журнал.— 1971. Т. XXI. № 1.— С. 71-74.

УДК 532.527

Р.Р. Усманова

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ РАЦИОНАЛЬНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ АППАРАТОВ ГАЗООЧИСТКИ

Проблема очистки газовых выбросов от мелкодисперсной примеси — одна из актуальных в газоочистке и давно выдвинута на первый план экспериментальных и теоретических исследований.

Один из наиболее перспективных методов повышения эффективности пылеулавливания мелкодисперсных частиц — мокрая очистка. Для этого метода характерны сложные массообмен-ные процессы в ходе взаимодействия газодисперсного потока с каплями орошающей жидкости, в результате чего изменяются скорость и концентрация фаз, определяющие газоочистку.

Имеющиеся исследования в данной области показывают сильную чувствительность выходных характеристик к режиму и конструкции аппарата, что свидетельствует о качественно различной ги-

дродинамике потоков при разных значениях ре-жимно-конструктивных параметров.

Таким образом, систематизированное рассмотрение гидродинамики и эффективности работы вихревых аппаратов, получение и обобщение зависимостей между режимно-конструк-тивными параметрами аппарата, создание эффективных и технологичных конструкций, освоение их серийного выпуска для широкого внедрения в промышленную практику — весьма актуальны.

Разработка конструкции барботажно-вихревого аппарата с регулируемыми лопастями

Для оптимизации барботажно-вихревого аппарта были проведены экспериментальные исследования. Эксперименты проводились по