ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕСНИТЕЛЯ ВОДЫ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Статья поступила в редакцию 17.12.12. Ред. рег. № 1480

The article has entered in publishing office 17.12.12. Ed. reg. No. 1480

УДК 621.311.24

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕСНИТЕЛЯ ВОДЫ

И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматуллин

Южно-Уральский государственный университет

454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел./факс: (351) 267-98-94; e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 25.12.12 Заключение совета экспертов: 27.12.12 Принято к публикации: 29.12.12

В статье рассказано об экспериментальных исследованиях лабораторного опреснителя воды; на основании полученных результатов проведен анализ возможного использования возобновляемых источников энергии для опреснения воды. Приведен анализ выбора коллектора и произведены расчеты производительности лабораторной установки при использовании солнечного коллектора для различных регионов России.

Ключевые слова: возобновляемая энергетика, установки для опреснения, солнечные коллекторы.

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF LABORATORY WATER DESALINATORS

I.M. Kirpichnikova, I.R. Rakhmatulin

South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel./fax: (351) 267-98-94; e-mail: [email protected]

Referred: 25.12.12 Expertise: 27.12.12 Accepted: 29.12.12

The article tells about the experimental research laboratory desalination of water, based on the results, the analysis of the possible use of renewable energy for desalination. An analysis of the choice collector and calculations of performance of the laboratory setup using a solar collector for different regions of Russia.

Keywords: renewable energy, plants of desalination, solar collectors.

Kl

Ирина Михайловна Кирпичникова

Сведения об авторе: зав. кафедрой электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского гос. университета, д-р техн. наук, профессор.

Образование: Челябинский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (1979).

Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, электронно-ионная технология.

Публикации: более 120 научных и учебно-методических работ.

Ильдар Рафикович Рахматулин

Сведения об авторе: аспирант кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии ЮУрГУ.

Образование: энергетический факультет ЮУрГУ по специальности «Электрические станции» (2010 ). Область научных интересов:

использование возобновляемых источников энергии для очистки воды. Публикации: 6.

Вода - первоисточник всего живого, важнейший элемент нашей планеты, без которого не обходится ни один день жизни каждого человека, вне зависимости от возраста или места проживания. Очевидно, что наличие пресной воды является одним из важнейших факторов, определяющих экономическое и экологическое состояние страны.

Проблема России, которая является одной из самых обеспеченных пресной водой стран, заключается в неравномерном распределении источников. Большинство поверхностных вод (84%) сосредоточено к востоку от Урала. Кроме того, Россия занимает самую большую территорию на планете, омывается морями, принадлежащим трем океанам, и имеет

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

множество соленых (загрязненных) озер, расположенных по всей территории страны. Использование таких объемов воды для опреснения и очистки может стать решением дефицита пресной воды.

Для исследования процесса дистилляции воды нами была создана экспериментальная опреснительная установка (рис. 1).

Рис. 1. Схема установки для опреснения соленой воды: 1 - емкость для соленой воды; 2 - емкость для дистиллята;

3 - шланг для подачи дистиллята из первой секции в емкость для дистиллята; 4 - шланг для подачи дистиллята из второй секции в емкость для дистиллята; 5 - окно между первой и второй секцией; 6 - электрический нагреватель; 7 - емкость 11 л; 8 - емкость 20 л; 9 - емкость 10 л Fig. 1. The structure of plant for desalination of brine: 1 - tank for brine; 2 - tank for distillate; 3 - pipe distillate from the first section in the tank for distillate; 4 - pipe distillate from the second section of the tank for distillate; 5 - window between the first and second sections; 6 - electric heater; 7 - 11 l tank;

8 - 20 l tank; 9 - 10 l tank

Установка состоит из двух секций. В емкости 6 соленая вода нагревается электрическим нагревателем 7 и испаряется. Пар, образовавшийся в первой секции, через емкость 5 попадет во вторую секцию, где конденсируется на поверхности емкости для охлаждения 9. Далее образовавшийся дистиллят опускается на дно емкости 8, откуда по шлангу 4 попадает в емкость для дистилляции 2.

Две секции опреснителя необходимы для увеличения производительности установки. Дистиллят, полученный во второй секции, будет остужать дно емкости 8, и тем самым часть образовавшегося пара, которая не поступает во вторую секцию, будет конденсироваться в первой секции на поверхности емкости 8.

Дистиллят, полученный в первой секции, по шлангу 3 попадает в емкость для дистиллята 2.

Исходные параметры эксперимента:

- объем опресняемой воды - 0,5 л;

- объем воды в емкости для охлаждения - 10 л;

- электрическая мощность нагревателя - 0,5 кВт;

- начальная температура воды, предназначенной для конденсации паров, +24 °С;

- время работы электрического нагревателя -25 мин.

На рис. 2 приведена зависимость производительности экспериментальной установки от начальной температуры соленой воды.

Рис. 2. Зависимость производительности экспериментальной установки от начальной температуры соленой воды Fig. 2. Performance of the experimental plant to initial temperature of brine

Очевидно, что повышение начальной температуры опресняемой воды приводит к увеличению производительности опреснительной установки.

Важным параметром, влияющим на производительность установки, является начальное содержание соли N в очищаемом объеме воды (уровень солености).

Уровень солености воды для проведения опытов создан исходя из классификации вод по солености (табл. 1) [1].

Таблица 1

Классификации солености воды

Table 1

Classification of water salinity

Вода Предельная степень минерализации, г/л

Пресная до 1

Слабосолоноватая 1-3

Среднесолоноватая 3-5

Сильносолоноватая 5-10

Слабосоленая 10-15

Соленая и морская 15-45

Рассол свыше 45

В результате исследования установлено, что повышение концентрации соли в исходной воде снижает производительность установки (рис. 3). Это связано с тем, что температура кипения соленой воды увеличивается с увеличением концентрации соли N.

Современные методы очистки воды, как правило, энергозатратны. Поэтому для осуществления этих процессов целесообразно рассмотреть возможность использования возобновляемых источников энергии [2].

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Солнечная энергетика

Q, г/ч 150

140

130

m a

m *

*

—

10

20

N, г/п

30

.Sa

s

Н = 1,36Sn I а + b-Д IR кВт-ч/м2, (1)

где а и Ь - постоянные коэффициенты; ЗД - действительная продолжительность солнечного сияния, ч;

So - возможная продолжительность солнечного сияния, ч; R - отношение среднемесячных дневных приходов суммарной энергии на наклонную и горизонтальную поверхность (табл. 2).

Значения коэффициентов a, b, S o и S д и среднемесячной температуры воздуха Т0 для Челябинска по месяцам

Table 2

Coefficients a, b, S 0, S д and Т0 for Chelyabinsk by months

Рис. 3. Зависимость производительности экспериментальной

установки от содержания соли в опресняемой воде Fig. 3. Performance of the experimental plant to water salinity

Например, для подогрева воды можно использовать солнечные лучи, преобразующиеся в тепловую энергию с помощью солнечных коллекторов.

На рис. 4 представлена схема работы экспериментальной установки с использованием солнечного коллектора.

Месяц Параметр

a b So, ч Sд, ч То, °С

I 0,15 0,18 8 2,5 -16

II 0,14 0,41 10 4,2 -13

III 0,2 0,4 12 5,2 -3

IV 0,17 0,45 14 7,4 +3

V 0,12 0,54 16 8,6 +15

VI 0,10 0,54 16 9,6 +20

VII 0,18 0,4 16 9,4 +20

VIII 0,11 0,48 14 7,9 +20

IX 0,14 0,44 12 5,6 +15

X 0,19 0,44 10 3,4 +3

XI 0,16 0,42 8 2,2 -10

XII 0,13 0,32 8 1,9 -18

Изменение дневной солнечной радиации, приходящейся на наклонную плоскость в течение года, показана на рис. 5.

Рис. 4. Схема использования солнечного коллектора в экспериментальной опреснительной установке: 1 - лабораторный опреснитель; 2 - теплообменник солнечного коллектора; 3 - солнечный коллектор Fig. 4. Scheme of the solar collector in the desalination plant: 1 - lab distiller; 2 - solar heat exchanger; 3 - solar collector

Проанализируем возможность использования солнечных коллекторов в опреснительной установке для Челябинской области.

Значение дневной солнечной радиации для каждого месяца года в условиях г.Челябинска определялось по формуле

Рис. 5. Изменение дневной солнечной радиации, приходящейся на наклонную плоскость в течение года Fig. 5. Daily solar radiation on the ramp during the year

Для нагрева воды в опреснительной установке необходимо рассмотреть наиболее эффективную для зоны Урала конструкцию солнечного коллектора.

В настоящее время применяются два основных типа коллекторов: плоские и коллекторы с вакууми-рованными трубками.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Удельная энергия, вырабатываемая одним солнечным коллектором в течение дня каждого месяца года, рассчитывалась по формуле [3]:

еудн,- = ^ [И (та) - и^ (Твх - То) • 10-3 ] кВт-ч/м2, (2)

где - коэффициент переноса тепла от коллектора к жидкости (0,89 для плоского коллектора, 0,92 - для вакуумного коллектора); т - коэффициент проникновения солнечной радиации; а - коэффициент поглощения солнечной радиации (та = 0,7 для плоского коллектора, та = 0,94 для вакуумного коллектора); иь - коэффициент тепловых потерь (6 Вт/м2-К - для плоского коллектора, 0,6 Вт/м2-К - для вакуумного коллектора); Т0 - среднемесячная температура окружающего воздуха; Твх - температура на входе в коллектор, К, которая определяется:

т вх =(Т о + Т б )/ 2:

(3)

J1

куумных коллекторов площадью 1 м2 можно получить 7 л пресной воды в летнее время и до 1 л в зимнее время. Необходимое количество солнечных коллекторов определяется потребностями в пресной воде в каждом конкретном случае.

Аналогичным образом была рассчитана производительность опреснительной установки для федеральных округов Российской Федерации на основе показателей интенсивности солнечного излучения [5]. Результаты расчета приведены на рис. 7.

где Тб - температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня, К.

Дневная удельная теплопроизводительность рассчитывалась для солнечных месяцев года (май-август) для углов наклона 10, 15, 20, 25 и 30 градусов, для остальных месяцев - для угла 55°, рекомендованных как наиболее оптимальные для Челябинской области [4].

На рис. 6 показана зависимость выработки тепловой энергии для угла наклона солнечного коллектора с вакуумированными трубками (1) к горизонту ф = 30° в течение года.

О" кВтч/мг

46 Месяц года

Рис. 6. Зависимость выработки тепловой энергии вакуумного коллектора (1) и плоского коллектора (2) для угла наклона к горизонту ф = 30° в течение года Fig. 6. Heat production of the vacuum solar collector (1) and the flat-plate collector (2) for angle to the horizon ф = 30° for the year

Здесь же представлены аналогичные зависимости для плоского солнечного коллектора (2).

Как видно из рис. 6, солнечные коллекторы с ва-куумированными трубками имеют преимущество в количестве вырабатываемой энергии.

Эта конструкция коллекторов была принята для использования в опреснительной установке. На основе экспериментальных данных было получено, что для условий Южного Урала при использовании ва-

- TATA — LXJ

Рис. 7. Производительность экспериментальной опреснительной установки при использовании вакуумного солнечного коллектора

Fig. 7. Performance of the experimental desalination plant using the vacuum solar collector

Указанная на рис. 7 производительность получена для площади солнечного вакуумного коллектора, равной 1 м2, в летнее время. Повысить производительность можно за счет увеличения количества коллекторов или снабжения опреснительной установки системой слежения за солнцем.

Несомненным преимуществом разработанного устройства является то, что его можно использовать в отдаленных областях с децентрализованным электроснабжением с острой нехваткой пресной воды. В качестве дублирующего источника электроэнергии для подогрева соленой воды можно использовать любой электрический нагреватель, получающий питание от ветроэнергетической установки небольшой (1,0-1,5 кВт) мощности.

Список литературы

1. Слесаренко В.Н. Опреснение морской воды. М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Кирпичникова И.М. Опреснение воды с использованием энергий ветра и солнца // Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика», вып. 17, № 16 (275), 2012, С. 22-25.

3. Постановление Правительства Челябинской обл. от 14.04.2010 № 136-П, от 16.06.2010 № 25-П.

4. Саплин Л.А., Шерьязов С.К., Пташкина-Гирина О.С., Ильин Ю.П. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников. Челябинск: ЧГАУ, 2000.

5. Сартакова О.Ю., Горелова О.М. Чистая вода: традиции и новации. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013