СПОСОБ И УСТАНОВКА СОЛНЕЧНОГО ОПРЕСНЕНИЯ С МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ И НУЛЕВЫМ СБРОСОМ РАССОЛА Российский патент 2023 года по МПК C02F1/14 

Уровень техники

Из уровня техники известны система и способ очистки сточных вод с высокой минерализацией путем фототермической испарительной кристаллизации (патент CN111620402A), в которых используется параболический солнечный рефлектор, передающий тепло циркулирующему маслу, высокая температура которого обеспечивает не только выпаривание, но и осушение солей.

Данный способ позволяет эффективно проводить процесс концентрирования высокоминерализированных жидкостей вплоть до получения сухих солей. Недостатком такой системы является необходимость в высокотемпературном масляном контуре с принудительной циркуляцией, а также проблема удаления солевых отложений с греющих поверхностей и отсутствие многоступенчатости при выпаривании, что отрицательно сказывается на экономических показателях выпарной установки.

Другим аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по многим существенным признакам, является многоступенчатая технология опреснения морской воды с двойным эффектом дистилляции с подогревом морской воды солнечной энергией (патент CN102190340A). Это изобретение относится к многоступенчатой технологии опреснения морской воды двухступенчатой дистилляцией с подогревом морской воды солнечной энергией. Недостатком такой системы является ее сложность и необходимость расположения в непосредственной близости к морской воде. Кроме того, сброс рассола обратно в море вызывает негативные экологические последствия.

Известно также небольшое солнечное многоступенчатое устройство для опреснения морской воды с регенерацией тепла испарения с падающей пленкой в тепловых трубах (патент CN104030384A), использующее многоступенчатое выпаривание, причем пар первой ступени генерируется в солнечном рефлекторе. Несмотря на простоту конструкции и использования только гравитации для движения паровых и жидкостных потоков, в данном устройстве не предусмотрено решение проблемы солевых отложений на теплообменных поверхностях и отсутствуют каналы для сброса рассола, что предполагает его накопление.

Известен «Способ концентрирования жидких растворов» (патент RU2488421C1) который включает испарение растворителя из пленки раствора, которую формируют на внутренней поверхности вращающегося барабана. Раствор подают внутрь барабана, при этом обеспечивают перемещение раствора в сторону выгрузки. Осуществляют сбор паров растворителя и их конденсацию. Тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, скорость вращения барабана и уровень раствора внутри барабана выбирают из условия обеспечения выгрузки концентрированного продукта в виде жидкости. К недостаткам данного способа можно отнести то, что он не предусматривает многоступенчатости выпаривания, когда производимый в одном из барабанов пар становится греющим паром для другого барабана.

Известна «Выпарная установка для концентрирования жидких растворов» (патент RU2619768C1), содержащая, по меньшей мере, одну ступень выпаривания, включающую барабан с приводом вращения, трубкой подачи исходного раствора в его внутреннюю полость и трубкой отвода упаренного раствора, при этом барабан снабжен греющей паровой рубашкой с трубкой для отвода конденсата из ее нижней части, кроме того, установка снабжена паровым компрессором, выход которого соединен трубопроводом с греющей паровой рубашкой барабана первой ступени выпаривания, а вход компрессора соединен трубопроводом с внутренней полостью барабана одноступенчатой установки или с внутренней полостью барабана последней ступени выпаривания, при этом греющая рубашка каждой ступени соединена трубопроводом с внутренней полостью барабана предыдущей ступени, а количество ступеней выбирается из условия превышения дополнительной генерации пара при переходе сжатого в компрессоре пара из перегретого состояния в насыщенное состояние над суммарной разностью расходов конденсируемого и генерируемого пара в барабанах всех ступеней выпаривания. Недостатком этой установки является то, что для ее работы требуются существенные энергозатраты для работы парового компрессора, что исключает или очень затрудняет автономность ее работы.

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является «Устройство многоступенчатой дистилляции и способ обессоливания морской или солоноватой воды только с использованием солнечной энергии» (патент CN101219817A).

Это изобретение раскрывает многоступенчатое дистилляционное устройство с использованием только солнечной энергии для опреснения морской или солоноватой воды и способ. Устройство состоит из трех частей: коллектора солнечной энергии, многоступенчатого испарителя и конденсатора. Способ устройства для обессоливания морской или солоноватой воды включает процессы: регулируют давление пара каждого ступенчатого испарителя; пар, образующийся в испарителе каждой ступени, последовательно поступает в трубку теплообменника конденсации в испарителе следующей ступени через выпускное отверстие для пара испарителя ступени; после конденсации получается пресная вода и вырабатывается энергия для испарения морской или солоноватой воды в эффектном испарителе. К достоинствам установки можно отнести ее простоту и отсутствие насосов для принудительной циркуляции.

Недостатком этой многоступенчатой выпарной установки, работающей только за счет энергии солнечного излучения, является необходимость постоянного слива рассола, что вредно для экологии, а также образование накипи на теплообменных поверхностях, что затрудняет обслуживание установки.

Заявляемые способ и установка солнечного опреснения с многоступенчатой дистилляцией позволяет устранить указанные недостатки и при существенном повышении производительности, неограниченном увеличении межпромывочного цикла выпарных модулей, а также возможности полного удаления воды из рассола для получения сухой соли.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на создание эффективных солнечных автономных выпарных (опреснительных) установок в регионах с жарким сухим климатом, сталкивающихся с экономической нехваткой воды из-за технических или финансовых ограничений на получение пресной воды, даже если вода доступна. Поэтому методы очистки воды с использованием солнечной энергии считаются привлекательными для получения чистой воды из различных непригодных для питья источников воды, включая морскую воду, воду из рек / озер и загрязненную воду экологически безопасным и устойчивым способом. В частности, солнечное опреснение в странах с жарким засушливым климатом может использовать широко доступную и бесплатную солнечную энергию для производства питьевой воды из природных источников воды, что делает эту технологию многообещающей для решения проблемы нехватки воды.

Кроме того, в изобретении предлагается использовать новое важное направление солнечного испарения - опреснение сточных вод с нулевым сбросом жидкости и получением сухой соли, как коммерческого продукта. По сравнению с традиционными технологиями опреснения, такими как обратный осмос, описываемая технология с использованием лишь солнечной энергии производит твердую соль в качестве единственного побочного продукта и использует солнечный свет в качестве основного источника энергии, что, в сочетании с многоступенчатостью испарения, делает его менее энергоемким, а так же более рентабельным и доступным.

Решение поставленной задачи по устранению дефицита питьевой воды направлено на создание такой технологии опреснения, в которой не будут использоваться дорогостоящие расходные фильтроматериалы и мембраны, требующие периодической замены, а также уделяется внимание обеспечению простоты обслуживания, минимизации эксплуатационных расходов и решению проблемы отложения солей на греющих поверхностях. Последнее достигается использованием для дистилляции барабанов пленочного испарения (патент RU2488421C1), обеспечивающих постоянную очистку греющих поверхностей от солевых отложений, что неограниченно увеличивает межпромывочный цикл выпарных аппаратов.

Заявляемая технология солнечного опреснения позволяет в регионах с жарким засушливым климатом использовать неограниченные возобновляемые ресурсы солнечного излучения, и, возможно, ветра для получения питьевой воды и сухой соли, которую также можно отнести к полезным коммерческим продуктам. Кроме того, предотвращение сброса в море токсичного рассола после работы больших опреснительных установок, работающих по технологии обратного осмоса, поможет в решении возникших экологических проблем.

Концентрирование с помощью параболического рефлектора солнечной энергии на парогенераторе первой ступени, выполненного в виде барабана пленочного испарения (БПИ), позволяет производить пар высокого давления, который является рабочим телом для модульной многоступенчатой выпарной установки, позволяющей производить эффективное опреснение соленой воды. Использование в качестве ступеней выпаривания модулей на базе БПИ не только удешевляет выпарную установку, но и позволяет решить проблему отложения солей на греющих поверхностях. Чем выше давление пара, производимого в парогенераторе первой ступени, тем больше ступеней (модулей) может быть использовано при опреснении и тем выше производительность установки.

Получение в модулях с БПИ высококонцентрированного солевого раствора резко облегчает доупаривание этого раствора до состояния сухой соли на открытом поддоне, на который высококонцентрированный солевой раствор периодически сливается из модулей БПИ путем кратковременного открытия, например, электромагнитных клапанов по сигналу системы управления, где под действием солнечного изучения доводится до состояния сухой соли.

Заявленный комплекс конструктивных решений позволяет достигнуть поставленных целей и обеспечивает:

- создание автономной выпарной установки по опреснению соленой воды с использованием энергии солнца и, возможно, ветра;

- отсутствие необходимости в дорогостоящих расходных фильтроматериалах (смолы, мембраны, сорбенты и т.д.);

- минимизировать эксплуатационные затраты и занимаемые установкой площади;

- с максимальной эффективностью использовать солнечную энергию для опреснения используя многоступенчатость выпаривания;

- обеспечить простоту обслуживания установки;

- решить проблему образования солевых отложений на греющих поверхностях;

- возможность получения коммерческого продукта в виде сухой соли;

- удобство транспортирования и монтажа выпарной установки;

- снижение стоимости установки за счет применения унифицированных выпарных модулей на базе БПИ;

- высокую степень очистки воды от солей;

- большой ресурс работы установки.

Описание чертежей

Нижеследующее описание относится к сопроводительным чертежам, которые показывают в качестве неограничивающего примера вариант осуществления изобретения и в котором на Фиг.1 приведена структурная схема установки солнечного опреснения, выполненной в соответствии со способом, описанным в изобретении.

Представленная на Фиг.1 схема установки солнечного опреснения, включающая параболический солнечный рефлектор с одной осью отслеживания (1), жестко связанный с парогенератором первой ступени (2), емкость (3) подачи соленой воды под давлением в парогенераторы, линию подачи соленой воды в парогенераторы (4), линию отвода концентрата соленой воды из парогенератора первой ступени (5), линию для подачи пара (6) от парогенератора первой ступени к многоступенчатой модульной выпарной установке, каждый из модулей (7) которой снабжен: патрубком подвода греющего пара (8), патрубком отвода вторичного пара (9), линией подвода соленой воды (10), линией отвода концентрата соленой воды (11) и линией отвода конденсата пара (12). Парогенератор (2) и выпарные модули (7) включают горизонтальные барабаны пленочного испарения (13) с приводами вращения (14) и частично заполненные соленой водой (15), обеспечивающие при вращении образование испаряемой пленки на внутренней поверхности барабанов и имеющие под уровнем воды скребковые элементы (16) для очистки греющей поверхности от солевых отложений, причем внешняя поверхность барабана парогенератора (2) выполнена с поглощающим отраженные солнечные лучи покрытием, барабаны выпарных модулей (7) снабжены греющими паровыми рубашками (17), соединенными с линией подачи пара (8) от предыдущей ступени и имеющие линию отвода конденсата (12), оснащенные конденсатоотводчиками (18), а сами барабаны снабжены линиями подачи соленой воды с устройствами для поддержания заданного уровня в барабане (19) и линиями отвода концентрата соленой воды, снабженные клапанами периодического сброса концентрата (20) в горизонтальный обогреваемый солнцем поддон (21), оснащенный снизу греющей рубашкой (22), к которой обеспечивается подвод горячего конденсата из паровых рубашек (17) выпарных модулей и пароконденсатной смеси из последней ступени модульной выпарной установки, причем слив конденсата из греющей рубашки поддона (22) производится через конденсатоотводчик (23) в емкость для сбора обессоленной воды (24).

Для более эффективного использования тепловой энергии установка солнечного опреснения может быть снабжена теплообменником рекуператором (25), обеспечивающим теплообмен между поступающей в барабаны соленой водой (4), и паром (9), произведенным в последней ступени модульной выпарной установки.

В качестве приводов вращения барабанов могут быть использованы мотор-редукторы (14). Для снижения расхода электроэнергии и отказа от сложных мотор-редукторов для вращения барабанов может использоваться также ветряная мельница (Фиг.2, 26) с конической зубчатой передачей (Фиг.2, 27). Полная автономность при эксплуатации установки солнечного опреснения, требующей электропитания, может быть достигнута применением панелей фотоэлектрических преобразователей (Фиг.1, 28).

Повышение давления газа в емкости подачи соленой воды на дистилляцию может быть достигнуто, например, использованием небольшого компрессора или периодическим подсоединением баллона со сжатым газом.

В пусковом режиме необходимо удалить неконденсируемые газы из греющей паровой рубашки модулей. Для этого после запуска установки держат открытым некоторое время клапан сдувки парогазовой смеси из паровой рубашки в атмосферу (не показан на рисунке). После удаления неконденсируемых газов его закрывают.

Осуществление изобретения

В качестве неограничивающего примера конкретного исполнения выпарной установки для опреснения соленой воды рассмотрена солнечная опреснительная установка, которая выполняется по схеме многоступенчатой опреснительной установки, когда пар, произведенный с использованием концентрированной энергии инсоляции в парогенераторе первой ступени (ППС), выполненном в виде барабана пленочного испарения (БПИ), становится греющим паром в паровой рубашке выпарного модуля с барабаном пленочного испарения (МБПИ) нижней ступени, который входит в блок из трех МБПИ, соединенных по последовательной схеме. При этом пар, произведенный в одной из ступеней МБПИ становится греющим паром для последующей ступени, что обеспечивает кратное увеличение производительности при тех же затратах тепловой энергии. Пар, произведенный в последней ступени МБПИ, при конденсации частично используется для подогрева соленой воды перед поступлением в БПИ, а частично используется для подогрева концентрата соли в поддоне (поз.21) для его осушки на открытом воздухе. Структурная схема солнечной многоступенчатой опреснительной установки с указанием потоков приведена на Фиг.1.

Управление процессом опреснения заключается в изменении положения параболического рефлектора с одной осью для отслеживания при движении солнца, а также в периодическом открытии электромагнитных клапанов для слива концентрата на отрытую площадку поддона с целью его осушения и получения сухой соли. Слив концентрата производится порциями после достижения солесодержания ~ 300 г/л. Объем сливаемых порций зависит от частоты выгрузки и оптимизируется исходя из реальных условий эксплуатации.

Слив конденсата из греющих рубашек модулей и теплообменника рекуператора не требует управления, так как производится через пассивные элементы - термодинамические конденсатоотводчики. Поддержание уровня жидкости в барабанах осуществляется автоматически с помощью поплавковых клапанов. Движение потоков жидкости обеспечивается созданием повышенного давления в емкости исходной воды, а также нахождением приемной емкости конденсата в нижней точке опреснительной установки. Эти особенности обеспечивают простую систему управления процессом без вмешательства обслуживающего персонала.

Пожалуй, единственным участком опреснительной установки, который может потребовать особого внимания при обслуживании, является площадка осушения соли, так как ее периодически придется очищать от сухого продукта. Очистка может производиться как с использованием ручного труда, так и автоматически, с использованием механических щеток с электроприводом для их перемещения по площадке к точке выгрузки.

Обогрев БПИ ППС (поз.2) производится солнечной энергией, сконцентрированной параболическим рефлектором (поз.1), выполненным в виде желоба. Для более полного поглощения тепловой энергии внешняя поверхность этого барабана имеет светопоглощающее покрытие, например, алюминиевая поверхность барабана покрывается черной краской, что обеспечивает поглощение свыше 90% падающего на нее излучения. При максимальном солнечном тепловом потоке I = 1,02 кВт/м² параболический рефлектор площадью A = 38 м² фокусирует на барабан Q_ППС = 35,2 кВт лучистой энергии, что с учетом степени черноты поверхности барабана ε' соответствуют тепловой мощности на испарение Q_ev ~32 кВт, обеспечивающей производительность по пару m = 52,05 кг/ч при давлении P =0,175 МПа.

Обогрев барабанов следующих ступеней МБПИ производится греющим паром предыдущей ступени. При этом происходит его конденсация на внешней поверхности БПИ, а стекающий в греющую рубашку конденсат отводится самотеком через термодинамический конденсатоотводчик в полость под поддоном для осушения соли (поз. 22, Фиг 1). Сгенерированный солнечной энергией пар из ППС по гибкому шлангу поступает в блок из 3-х МБПИ, соединенных последовательно. При полной автономности установки вращение всех БПИ обеспечивается либо мотор-редукторами (поз. 14, Фиг.1) за счет энергии фотоэлектрических преобразователей (поз. 28, Фиг.1), либо за счет ветряной мельницы (поз. 26, Фиг.2). Вода на упаривание поступает в БПИ из бака, находящегося под давлением (поз. 3, Фиг.1) после предварительного подогрева в паровом водонагревателе (поз. 25, Фиг.1). Греющий пар для этого водонагревателя отбирается из последней, третьей ступени МБПИ и частично конденсируется в нем. Остаток пара в составе пароводяной смеси направляется в полость под поддоном для осушения соли (поз. 22, Фиг.1), где конденсируется, нагревая и осушая солевой концентрат на поддоне для осушения (поз. 21, Фиг.1). В эту же полость по трубкам с термодинамическим конденсатоотводчиками (поз. 18, Фиг.1) сливается весь горячий конденсат из всех БПИ. После конденсации пара и частичного охлаждения конденсата суммарный поток обессоленной воды из установки опреснения сливается из полости под поддоном для осушения в емкость для приема дистиллята (поз. 24, Фиг.1).

В представленной конструкции солнечного опреснителя рассматривается четыре ступени испарения, в первой из которых пар генерируется солнечной энергией, а на последующих 3-х ступенях МБПИ для производства вторичного пара используется пар предыдущей ступени, имеющий большее давление и, соответственно, температуру, чем генерируемый в этой ступени пар.

Расчетные оценки параметров солнечной опреснительной установки с максимальной производительностью до 200 литров в час

Для оценки производительности опреснительной установки необходимо определить интенсивность теплопередачи в БПИ и материальный баланс процесса опреснения.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на внешней поверхности вращающегося барабана α [Вт/(м²⋅К)], проводится по формуле [1] полученной для ламинарного движения пленки (консервативно):

Где

где g - ускорение свободного падения, м/с²;

r - удельная теплота парообразования, кДж/кг;

ρ - плотность воды, кг/м³;

λ - коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м⋅К);

ν_w - коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с;

Δt_wv - перепад температуры на пленке жидкости, °С;

d₂ - наружный диаметр выпарного барабана, м.

Согласно [2] коэффициент теплоотдачи пленочных выпарных аппаратов при поверхностном испарении для q < 8 кВт/м², Re =2000…8000 и Г=400…2000 кг/(м⋅ч) рекомендуется выбирать по уравнению

Где

λ_w - теплопроводность пленки жидкости, Вт/(м⋅К);

δ_w - толщина пленки жидкости, м;

Re - критерий Рейнольдса для пленки жидкости.

Толщина пленки жидкости определяется по соотношению [3]

Где ν - кинетическая вязкость раствора [м²/с], а g - гравитационная постоянная [м/с²].

Критерий Рейнольдса для пленки жидкости определяется по соотношению [3];

Где μ - динамическая вязкость раствора [П⋅с], а Г - линейная массовая плотность орошения, которая находится по формуле [3]

Где G - расход раствора [кг/(м²с)], а П - смоченный периметр [м].

Из-за частичного заполнения барабана площадь пленочного испарения принимается сниженной на 15%, поэтому соответственно корректируется расчетный коэффициент теплоотдачи при испарении.

Коэффициент теплопередачи стенок барабанов определяется по формуле

Где

α_conc и α_ev - коэффициенты теплоотдачи при конденсации и испарении соответственно, Вт/(м²⋅К);

δ_wall и δ_dep - толщина стенки барабана и толщина солевых отложений, соответственно, м;

λ_wall и λ_dep - теплопроводность стенки барабана и теплопроводность солевых отложений, соответственно, Вт/(м⋅К).

Оценим материальный баланс процесса опреснения. Уравнения материального баланса процесса выпаривания [4]:

Здесь G_sw, G_conc - массовые расходы начального (исходного) раствора и конечного (упаренного) раствора, кг/с;

x_sw, x_conc - массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе, отн.ед.;

W - массовый расход выпариваемой воды, кг/с.

Задавая конечную концентрацию можно найти массовый расход дистиллята:

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата [0]:

Где Q - расход теплоты на выпаривание, Вт;

c_{p sw}, c_{p conc} - удельная теплоемкость начального (исходного) и конечного (упаренного) раствора, [Дж/(кг К)];

t_sw, t_conc - температура начального (исходного) раствора на входе в БПИ и конечного (упаренного) раствора на входе из БПИ, °С;

i_sec - удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата, Дж/кг;

Q_wast - расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

Q_d - теплота дегидратации, Вт.

Тогда расход теплоты на выпаривание [4]

Где c_{p w} - удельная теплоемкость воды при t_conc, Дж/(кг⋅К).

Для расчета удельной теплоемкости двух компонентных (вода + растворенное вещество) разбавленных водных растворов (х < 0,2) пользуются приближенной формулой с_p = 4190 (1 - х), где 4190 [Дж/(кг К)] - удельная теплоемкость воды; х - концентрация растворенного вещества, [отн.ед].

Для морской воды доля хлорида натрия NaCl (поваренной соли) составляет около 86%, поэтому при определении теплоемкости раствора солей в качестве теплоемкости безводного раствора принимает значение для поваренной соли c_{p NaCl} = 854 Дж/(кг К)[6].

Для концентрированных двухкомпонентных водных растворов (х > 0,2) расчет ведут по формуле [0]:

где c_pNaCl - удельная теплоемкость безводного растворенного вещества (принимаем для поваренной соли NaCl), Дж/(кг К).

Максимальные оценки производительности опреснительной установки проводились для региона с жарким климатом. В качестве примера рассмотрена инсоляция в ясный мартовский день в Daggett, штат Калифорния, измеренная недалеко от солнечной электростанции Kramer Junction [7]. Максимальный уровень солнечной энергии приходится на 12:00 дня и равен 1030 Вт на квадратный метр. За световой день приходится 10,6 кВт⋅ч солнечной энергии на каждый квадратный метр.

Технические параметры солнечной опреснительной установки рассмотрены для установки производительностью до 200 литров в час с площадью зеркала параболического рефлектора 38 м² и длиной 12 м. Длина вращающегося барабана БПИ, на который фокусирует солнечную энергию параболический коллектор, также составляет 12 м, а его диаметр - 220 мм.

Основные технические параметры барабанов в модулях МБПИ, принятые для проведения расчетного анализа, приведены ниже:

Материал корпуса БПИ алюминий; Диаметр БПИ внутренний, м 0,42 Толщина стенки БПИ, м 0,01 Диаметр БПИ наружный, м 0,44 Длина греющей поверхности БПИ, м 3,5 Поверхность испарения БПИ, м² 4,5 Поверхность конденсации БПИС, м² 4,84

Параметры вторичного пара в МБПИ определяются давлением первичного пара, термическим сопротивлением барабанов и их площадью теплообменной поверхности. Принятая для расчетов конструкция барабана МБПИ имеет длину 3,5 мм и выполнена из алюминиевой трубы с наружным диаметром 440 мм и толщиной стенки 10 мм. Площадь теплоотдающей поверхности БПИ составляет:

Термическое сопротивление барабанов определяется коэффициентами теплоотдачи при конденсации греющего водяного пара на внешней поверхности БПИ и при испарении с пленки раствора на внутренней поверхности, а также термическим сопротивлением тонкого слоя солевых отложений с принятой теплопроводностью λ_dep = 1,1 Вт/(м К) (в расчете толщина слоя отложений δ_dep принята равной 0,15 мм) и термическим сопротивлением алюминиевой стенки с теплопроводностью λ_wall = 150 Вт/(м К) при толщине стенки δ_wall = 0, 01 м.

Для максимальной тепловой мощности, генерируемый в «солнечном» ППС пар последовательно проходит через три МБПИ, причем сумма перепадов давления греющего и вторичного пара по этим модулям не должна превышать максимального давления греющего пара в «солнечном» ППС. Это давление определяется либо гидростатическим давлением подачи воды в «солнечный» ППС из емкости с исходной водой, находящейся на возвышенности (как в рассматриваемом случае), либо давлением в водораспределительной системе исходной воды.

Для рассматриваемого случая нахождения емкости с исходной водой на возвышении 8 м, в Таблице 1 приведено расчетное распределение параметров в трех ступенях МБПИ, первая из которых обогревается паром с давлением 0,175 МПа при расходе 52,1 кг/ч.

Таблица 1 - Расчетное распределение параметров в трех ступенях МБПИ Параметр Значение в ступени МБПИ первая вторая третья Давление греющего пара, P₁, [МПа] 0,175 0,149 0,128 Давление вторичного пара, P₂, [МПа] 0,149 0,128 0,110 Перепад давления по пару, ΔP, [МПа] 0,026 0,022 0,018 Температура насыщения, t _sat, [К]
[°C] 389,0
116,0 384,2
111,2 379,6
106,6 Температурный напор, Δt, [°C] 4,81 4,63 4,44 Коэффициент теплоотдачи при конденсации, α_conc , [Вт/м²К] 5282,3 5245,1 5203,9 Расчетный коэффициент теплоотдачи при испарении, α_ev0 [Вт/м²К] 4993,9 4741,9 4498,9 Принятый коэффициент теплоотдачи при испарении, α_ev [Вт/м²К] 4244,8 4030,6 3824,0 Термическое сопротивление при конденсации 1/α_conc , [(м² K)/Вт] 0,000223 0,000224 0,000226 Термическое сопротивление при испарении
1/α_ev, [(м² K)/Вт] 0,000277 0,000292 0,000308 Термическое сопротивление стенки БПИ,
δ_wall/λ_wall, [(м² K)/Вт] 0,000067 0,000067 0,000067 Термическое сопротивление солевых отложений, δ_dep/λ_{dep ,} [(м² K)/Вт] 0,000136 0,000136 0,000136 Коэффициент теплопередачи, K, [Вт/м²К] 1422,67 1390,41 1357,30 Плотность теплового потока, q_wall, [кВт/м²] 6,85 6,44 6,03 Передаваемая мощность, [Вт] 31632 29744 27860 Массовый расход испаренной воды, [кг/с]
[кг/ч] 0,0143
51,45 0,0134
48,09 0,0124
44,78

С учетом пара (конденсата), произведенного в «солнечном» ППС при 32 кВт (теплота парообразования при 0,175 МПа составляет 2213 кДж/кг), суммарный массовый расход произведенного конденсата установки

Для концентрирования морской воды с исходной концентрацией солей 35 г/кг до концентрации, соответствующей параметрам «Мертвого моря» (300 г/кг), требуемый расход морской воды находится по формуле (9)

В этом случае расход концентрата составляет

При снижении тепловой мощности парообразования в «солнечном» ППС ниже
32 кВт, уменьшится интенсивность парообразования во всей установке, а так же сумма перепадов давления пара (и, соответственно, перепадов температур) по всем модулям МБПИ.

Использование парового водонагревателя для повышения производительности солнечной выпарной установки.

Предварительный нагрев воды, поступающей на испарение в БПИ, позволяет увеличить производительность установки. Для этого предназначен паровой водонагреватель, в котором качестве греющего пара используется вторичный пар последней ступени МБПИ. В рассматриваемом случае он представляет собой горизонтальный кожухотрубный теплообменник с 64 теплообменными трубками ∅14×1мм длиной 1,5 м. В межтрубное пространство подается пар и частично конденсируется, нагревая при этом проходящую в трубках воду из бака исходного раствора до 96,5°С, которая затем направляется во все БПИ на упаривание. Большая площадь теплообмена делает такой теплообменник малочувствительным к солевым отложениям на внутренних поверхностях теплообменных трубок, а конструкция теплообменника позволяет легко проводить механическую очистку трубок от отложений в случае необходимости.

Расчетные параметры парового водонагревателя представлены на схеме потоков теплоносителя на Фиг. 3. После подогрева поступающей в МБПИ воды и частичной конденсации пара, поток пароконденсатной смеси из межтрубного пространства подается в полость под площадкой осушения соли, где остаток пара конденсируется, нагревая осушаемый солевой концентрат на площадке.

Кроме тепла, подводимого к площадке осушения потоком пароводяной смеси из парового водонагревателя (~11 кВт) тепло подводится также за счет инсоляции на площадку. Если ее площадь составляет 10 м², (2м × 5м), то в жаркий день солнечный поток на площадку может достигать 11 кВт. Часть солнечного тепла отражается, но даже если солевым концентратом поглощается лишь 60% солнечной энергии, дополнительно к паровому обогреву на осушение концентрата расходуется еще ~ 6,6 кВт тепловой энергии.

С учетом конденсации в полости под площадкой оставшегося после теплообменника пара (расход 17,3 кг/ч, теплота парообразования 2250 кДж/кг), обеспечивается дополнительный обогрев площадки осушения тепловой мощностью

Суммарное подводимое к площадке тепло на осушение концентрата с учетом частичного охлаждения конденсата составляет не менее

Для осушения солевого концентрата с начальной концентрацией s = 0,3 кг/кг расход удаляемой несвязанной воды в виде пара находится по формуле (9)

Для выпаривания воды в атмосферу с таким расходом при теплоте парообразования 2258 кДж/кг необходима тепловая мощность

Таким образом, суммарное тепло, подводимое к площадке осушения от инсоляции и от конденсации пара третьей ступени является избыточным, поэтому слив концентрата из БПИ необходимо производить до того, как концентрация соли достигнет s = 0,3 кг/кг, а именно при значениях s = 0,247 кг/кг. При этом расход морской воды с концентрацией s = 0,035 кг/кг повысится с 222,3 до 228,7 кг/ч при той же максимальной производительности по конденсату. Такое снижение солесодержания отводимого концентрата обеспечивает улучшение условий, связанных с проблемой солеотложения на греющих теплообменных поверхностях.

Так как условия инсоляции, а следовательно и подводимого тепла к площадке осушения в течение дня могут меняться, простым способом выявления необходимости слива порции концентрата для осушения может стать измерение влажности воздуха над площадкой.

Если соль на площадке уже сухая (датчики фиксируют низкую влажность воздуха непосредственно над площадкой), то необходимо кратковременно отрывать электромагнитные клапана для слива порции концентрата из БПИ на площадку.

Список литературы

1. Film evaporation drum, Patent RU 2761207 C1, 2021

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. -М.: Химия, 1983. 272 см ил.

3. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Киев» Технiка, 1975. 312 с. Павлов К, Ф., Романков П.Г., Носков А.А, / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с, ил.

4. Emission installation for concentration of liquid solutions. Patent RU 2619768 C1, 2021.

5. Concentration of liquid solutions, Patent RU 2488421 C1, 2012.

6. William B. Stine, Michael Geyer, Power From The Sun. Part 2. Solar Collectors / https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=68277

Заявленная группа изобретений относится к области опреснения морской или солоноватой воды с получением обессоленной воды и соли и может быть использовано в странах с жарким климатом с наличием ресурсов соленой воды при дефиците питьевой воды. Способ включает концентрирование солнечной энергии на внешней поверхности парогенератора первой ступени, производящего пар под давлением из подаваемой в него под давлением соленой воды, подачу пара под давлением в многоступенчатую модульную выпарную установку, на каждой ступени которой обеспечивается конденсация греющего пара и образование вторичного пара из соленой воды. Образующийся пар одной ступени становится при конденсации греющим паром для следующей ступени. Обеспечивается отвод концентрата и отвод конденсата пара из ступеней выпарного аппарата. Генерация пара под давлением и вторичного пара производится на внутренней поверхности частично заполненных соленой водой горизонтальных барабанов пленочного испарения (БПИ). Вращение БПИ обеспечивает перекатывание под уровнем соленой воды скребковых элементов, производящих очистку греющей поверхности от солевых отложений. Давление внутри барабанов обеспечивает возможность после достижения заданного солесодержания периодически отводить концентрат из барабанов на горизонтальный обогреваемый солнцем поддон. В рубашку поддона обеспечивается подвод горячего конденсата из выпарных модулей ступеней и подвод пароконденсатной смеси из последней ступени многоступенчатой модульной выпарной установки. Концентрат осушается до состояния сухой соли, а конденсат сливается в емкость для обессоленной воды. Технический результат: простота обслуживания, минимизация солевых отложений на греющих поверхностях, высокая степень очистки воды от солей, получение коммерческого продукта в виде сухой соли. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ многоступенчатого опреснения соленой воды с использованием солнечной энергии, включающий концентрирование солнечной энергии на внешней поверхности парогенератора первой ступени, производящего пар под давлением из подаваемой в него под давлением соленой воды, подачу пара под давлением в многоступенчатую модульную выпарную установку, на каждой ступени которой обеспечивается конденсация греющего пара и образование вторичного пара из соленой воды, причем образующийся пар одной ступени становится при конденсации греющим паром для следующей ступени, а также обеспечивается отвод концентрата и отвод конденсата пара из ступеней выпарного аппарата, отличающийся тем, что генерация пара под давлением и вторичного пара производится на внутренней поверхности частично заполненных соленой водой горизонтальных барабанов пленочного испарения, создающих при вращении испаряемую пленку, при этом вращение барабанов обеспечивает перекатывание под уровнем соленой воды скребковых элементов, производящих очистку греющей поверхности от солевых отложений, а давление внутри барабанов обеспечивает возможность после достижения заданного солесодержания периодически отводить концентрат из барабанов на горизонтальный обогреваемый солнцем поддон, в рубашку которого обеспечивается подвод горячего конденсата из выпарных модулей ступеней и подвод пароконденсатной смеси из последней ступени многоступенчатой модульной выпарной установки, при этом концентрат осушается до состояния сухой соли, а конденсат сливается в емкость для обессоленной воды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вращение барабанов пленочного испарения осуществляется за счет энергии солнечного излучения или ветра.

3. Установка для осуществления способа по п. 1, включающая параболический солнечный рефлектор с одной осью отслеживания, жестко связанный с парогенератором первой ступени, емкость соленой воды под давлением, линию подачи соленой воды в парогенератор первой ступени, линию отвода концентрата соленой воды из парогенератора первой ступени, линию для подачи пара под давлением от парогенератора первой ступени к многоступенчатой модульной выпарной установке, каждый из модулей которой снабжен: патрубком подвода греющего пара, патрубком отвода вторичного пара, линией подвода соленой воды, линией отвода концентрата соленой воды и линией отвода конденсата пара, отличающаяся тем, что парогенератор первой ступени и выпарные модули включают горизонтальные барабаны пленочного испарения с приводами вращения и частично заполненные соленой водой, обеспечивающие образование испаряемой пленки на внутренней поверхности барабанов и имеющих под уровнем воды скребковые элементы для очистки греющей поверхности от солевых отложений, причем внешняя поверхность барабана парогенератора первой ступени выполнена с поглощающим отраженные солнечные лучи покрытием, барабаны выпарных модулей снабжены греющими паровыми рубашками, соединенными с линией подачи пара от предыдущей ступени и имеющими линию отвода конденсата, оснащенную конденсатоотводчиками, а сами барабаны снабжены линиями подачи соленой воды с устройствами для поддержания заданного уровня в барабане и линиями отвода концентрата соленой воды, снабженными клапанами периодического сброса концентрата в горизонтальный обогреваемый солнцем поддон, оснащенный снизу греющей рубашкой, к которой обеспечивается подвод горячего конденсата из паровых рубашек выпарных модулей и подвод пароконденсатной смеси из последней ступени многоступенчатой модульной выпарной установки, а линия слива конденсата из греющей рубашки поддона в емкость для сбора обессоленной воды оснащена конденсатоотводчиком.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что включает панель фотоэлектрических преобразователей и систему управления клапанами.

5. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что включает мотор-редукторы для обеспечения вращения барабанов.

6. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что включает ветряные мельницы для обеспечения вращения барабанов.

7. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что включает систему повышения давления газа в емкости подачи соленой воды.

8. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что снабжена теплообменником рекуператором, обеспечивающим теплообмен между соленой водой, поступающей в барабаны пленочного испарения, и паром, произведенным в последней ступени многоступенчатой модульной выпарной установки.