МЕТОДИКА РАСЧЕТА И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОПРЕСНИТЕЛЯ С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ

Одной из глобальных проблем человечества является дефицит пресной воды в мире. Одним из способов частичного решения этой проблемы является опреснение воды морей и океанов. В настоящее время существует достаточно много различных методов опреснения, разрабатывается большое количество опреснительных установок, а также с каждым годом появляется много патентов на опреснительные установки. Для дальнейшего рассмотрения из существующих патентов был выбран патент на теплонасосный опреснитель соленой воды [1]. На основе данной установки разработана схема испарительного опреснителя с использованием теплового насоса (рис. 1). Для  снижения тепловой нагрузки в конденсаторе в разработанной схеме используется рециркуляция.

В данной статье приведена методика расчета и анализ технических характеристик испарительного опреснителя с использованием теплового насоса, который разработан с целью совершенствования процесса опреснения и снижения расхода энергии для получения пресной воды.

Рисунок 1. Принципиальная схема установки с учетом рециркуляции

Ф – фильтр; В – вентилятор; П – подогреватель воздуха; Н – насос; И – испаритель теплового насоса; К – конденсатор теплового насоса; Д – дроссельный вентиль; К-р – компрессор

При расчете испарительного опреснителя с тепловым насосом солёность морской воды принята нормальной (3,5 %). Теплофизические свойства морской воды с нормальной солёностью считаем такими же, как и для обычной воды, так как данные свойства значительнее зависят от температуры, чем от содержания солей в воде.

Основные формулы для расчета теплообменных аппаратов взяты из [2].

Для расчета скруббера задаемся следующими исходными параметрами:

 – температура воды на входе в скруббер;

 – расход воды перед скруббером;

 – температура воздуха на входе в скруббер;

 – температура воздуха на выходе из скруббера;

 – расход сухого воздуха перед скруббером;

 – относительная влажность воздуха на выходе из скруббера;

 – изобарная теплоёмкость воды;

 Находим недостающие параметры влажного воздуха по H-d диаграмме:

 – относительная влажность воздуха на входе в скруббер;

 – температура мокрого термометра;

 – энтальпия воздуха на входе в скруббер;

 – энтальпия воздуха на выходе из скруббера;

 – влагосодержание воздуха на входе в скруббер;

 – влагосодержание воздуха на выходе из скруббера.

Далее по методике из [2] производим расчет скруббера. Определяем объёмный коэффициент теплопередачи, скорость воздуха в скруббере.

Задаемся плотностью орошения: .

В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига, установленные рядами, со следующими стандартными характеристиками:

Удельная поверхность насадки: ;

Свободный объём (пористость):;

Гидравлический диаметр: ;

Коэффициент теплопроводности (керамика):  .

Критерий Кирпичева находим по формуле:

Объёмный коэффициент теплопередачи определим по формуле:

В результате получаем площадь теплообмена и геометрические параметры скруббера.

В разработанной схеме испарителем в тепловом насосе является калорифер с оребренными трубками. В межтрубном пространстве теплообменного аппарата движется горячий теплоноситель - влажный воздух, в трубках - холодный теплоноситель - фреон.

Метод расчёта данного теплообменника основан на коэффициенте влаговыпадения, так как присутствует  тепло- и массообмен между воздухом и водой [3].

Отношение общего количества переданной теплоты к явному количеству теплоты называется коэффициентом влаговыпадения:

где  – энтальпия воздуха на входе в теплообменный аппарат;

 – энтальпия воздуха на выходе из теплообменного аппарата;

 – температура воздуха на входе в теплообменный аппарат;

 – температура воздуха на выходе из теплообменного аппарата;

  – теплоёмкость воздуха при средней температуре.

После проведения теплового расчета, исходя из полученной площади теплообмена, подбираем марку калорифера КСК-4-11.

Конденсатором теплового насоса является кожухотрубный теплообменник «солёная вода – рабочее вещество», где происходит нагрев поступающей на опреснение воды.

В качестве рабочего вещества в контуре теплового насоса был выбран хладагент R134а.

Разработка данного испарительного опреснителя с тепловым насосом, работающего на низкокипящем рабочем веществе, изначально была направлена на снижение расхода энергии для получения пресной воды, создание экологически приемлемых и энергоэффективных опреснителей, способных конкурировать на рынке опреснительных технологий. Но после проведения расчета и анализа полученных результатов можно сделать вывод о целесообразности дальнейшей разработки рассматриваемой опреснительной установки.

Несомненно, испарительный опреснитель с тепловым насосом является новым типом опреснителей, но при этом затраты энергии достаточно высокие по сравнению с методом многоступенчатой дистилляции и методом обратного осмоса. Это связано с тем, что поглощение воздухом паров воды в скруббере минимально, и получаемый расход конденсата (пресной воды) не велик в сравнении с традиционными технологиями опреснения.

 Список литературы:

1. Теплонасосный опреснитель соленой воды: патент РФ №2363662: МПК  C02F1/00; Калнинь И.М., Савицкий А.И., Шапошников В.А., Пустовалов С.Б. – № 2007126767/15; заявл. 13.07.2007; опубл. 10.08.2009, Бюл. №22
2. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Данилов О.Л. и др.: Под ред. Бакластова A.M.. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. / М.:Энергоатомиздат,1986.- 328 с.
3. Бородкин А.А., Портнов В.Д., Сасин В.Я., Фёдоров В.Н.: Под редакцией Горбенко В.А../ Расчёт тепломассообменных аппаратов - М.: МЭИ, 1997. – 54 с.
4. ЗАО Т.С.Т. Калориферы КСк. Расчет и подбор водяных калориферов КСк: http://zao-tst.ru/raschet-podbor-kaloriferov.html