CC BY
3УДК 621.311.24 628.37
TEXNOLOGIYA
РАЗРАБОТКА НОВОГО МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Турсунов Мухамад Нишонович Физико-технический институт, главный научный сотрудник, E-mail: [email protected]
Сабиров Хабибулло Физико-технический институт, ведущий научный сотрудник, E-mail: sabirovhabibullo [email protected]
Ахтамов Тох,ир Зухриддин угли Физико-технический институт, младший научный сотрудник,
E-mail: [email protected]
Абриев Шахзод Акбар угли Физико-технический институт, докторант, E-mail: [email protected]
Аннотация. По данным некоторых исследований, в результате глобального изменения климата площадь ледников в высокогорьях Центральной Азии за последние 5060 лет сократилась примерно на 30%. Это особенно касается Памирской части гор, которая географически расположена южнее. По прогнозам, к 2050 году нехватка пресной воды может привести к снижению ВВП региона на 11%. Дефицит водных ресурсов увеличивается с каждым годом из-за глобального изменения климата в странах Центральной Азии, роста населения, быстрого развития различных отраслей экономики и растущей потребности в воде. Риск нехватки воды и засухи в Узбекистане значительно возрастает из-за уменьшения количества доступной пресной воды. К тому же, в настоящее время к части воды трансграничных рек претендует также Афганистан.
Annotatsiya. Ba'zi tadqiqotlarga ko‘ra, global iqlim o‘zgarishi natijasida so‘nggi 50-60 yil ichida Markaziy Osiyoning baland tog'larida muzliklar maydoni taxminan 30% ga qisqargan. Bu, ayniqsa, tog'larning geografik jihatdan janubda joylashgan Pomir qismiga tegishli. Kuzatishlarga ko‘ra, 2050-yilga borib chuchuk suv yetishmasligi mintaqa yalpi ichki mahsulotining 11% ga qisqarishiga olib kelishi mumkin. Markaziy Osiyo mamlakatlarida global iqlim o‘zgarishi, aholi sonining ko‘payishi, turli iqtisodiyot tarmoqlarining jadal rivojlanishi va suvga bo‘lgan talabning ortib borishi tufayli suv resurslarining tanqisligi yil sayin ortib bormoqda. O‘zbekistonda mavjud chuchuk suv miqdori kamayishi tufayli suv tanqisligi va qurg'oqchilik xavfi sezilarli darajada oshadi. Bundan tashqari, ayni paytda Afg‘oniston ham transchegaraviy daryolar suvining bir qismiga da’vogarlik qilmoqda.
Abstract. According to some studies, as a result of global climate change, the area of glaciers in the highlands of Central Asia has decreased by about 30% over the past 50-60 years. This especially applies to the Pamir part of the mountains, which is geographically located to the south. According to forecasts, by 2050, the lack of fresh water could lead to a decline in the region's GDP by 11%. The scarcity of water resources is increasing every year due to global climate change in Central Asian countries, population growth, rapid development of various economic sectors and growing demand for water. The risk of water shortages and drought in Uzbekistan increases significantly due to the decrease in the amount of available fresh water. In
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
addition, Afghanistan is currently also laying claim to some of the water from transboundary rivers.
Ключевые слова: солнечное излучение, рефлектор, технология, интенсивность, тепловой коллектор, ток короткого замыкания, мощность, температура, микронасос, контроллер, аккумулятор, опреснение морской воды, водоочистка.
Tayanch so‘zlar: quyosh nurlanishi, reflektor, texnologiya, intensivlik, issiqlik kollektori, qisqa tutashuv toki, quvvat, harorat, mikronasos, kontroller, akkumulyator, dengiz suvini tuzsizlantirish, suvni tozalash.
Key words: solar radiation, reflector, technology, intensity, thermal collector, short circuit current, power, temperature, micropump, controller, battery, seawater desalination, water treatment.
Введение
В данной статье приводится результаты разработки новой технологии опреснения минерализованной воды и установка повышенной эффективности теплового преобразования слабо концентрированного солнечного излучения для нагрева и опреснения воды.
Повышение эффективности теплового преобразования обеспечивается применением в тепловом коллекторе установки, полного поглощения солнечного излучения, структурой необходимой толщины из кристаллического кремния и минимизации тепловых потерь из теплового коллектора установки. Для увеличения интенсивности солнечного излучения, падающего на поверхность теплового коллектора до 2000Вт/м , использованы боковые рефлекторы с площадью равной площади теплового коллектора с коэффициентом отражения излучения ~ 0,5.
Нехватка пресной воды все больше ощущается во всем мире, в том числе в США и странах Европы. А в таких странах, как Израиль или Иран запасов пресной воды совершенно не хватает для нужд населения и производства. Существует мнение, что в конце концов человечество окажется перед необходимостью добычи пресной воды из вод мирового океана [1]. Рассмотрим некоторые методы получения пресной воды.
Опреснение морской воды - это процесс снижения уровня солей в воде. В нормальной морской воде содержание солей порядка 3,5 процентов, а в воде, которая пригодна для питья, этот уровень не должен превышать 0,05 процента. Также не стоит забывать, что после опреснения обязательно будет требоваться очистка воды от кальция и вредных составляющих, следовательно, необходимо использовать установки для водоочистки.
Водоочистка - серьезная задача при подготовке обычной пресной воды для использования человеком, а очистка опресненной воды - задача еще более сложная. Водоочистка морской воды сложна, потому что уровень содержащихся в морской воде микроорганизмов и их разнообразие гораздо выше, нежели в пресной воде. Очистка морской воды еще осложняется тем, что в морской воде растворено гораздо больше химических соединений, чем в пресной и концентрация их гораздо выше. Перечисленные факты говорят о том, что водоочистка морской воды - процесс сложный и важный, чем водоочистка пресной воды. Дистилляция, или перегонка, основана на том, что вода -вещество летучее, а растворенные в ней соли - нелетучие. Морскую воду нагревают до температуры кипения, в результате чего образуется водяной пар, полученный пар забирается и охлаждается, в результате остается обычная вода. Но при использовании данного способа опреснения морской воды существуют несколько проблем, и самая основная проблема состоит в том, что при выпаривании соляной раствор, остающийся в
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
дистилляторе, с каждым разом становится все более концентрированным. Это приводит к выходу из строя трубопроводов и самого дистиллятора, для решения этой проблемы используют многокамерные дистилляторы, часть опресненной воды сбрасывается с соляным раствором в море, на ее место набирают новую порцию воды [2].
Материалы исслодований
Другой способ опреснения морской воды и очистки ее от примесей является -установка обратного осмоса. При использовании данного метода водоочистка и опреснение воды происходит при помощи мембраны, проницаемой для воды и в тоже время непроницаемой для солей и иных примесей, растворенных в морской воде, при помощи системы водоочистки и водоподготовки. Недостатком данного метода очистки и опреснения морской воды является малое количество получаемой пресной воды. Проблема в том, что морскую воду необходимо подавать на мембрану под давлением для того чтобы через мембрану просачивалась чистая вода, а соли оставались на обратной стороне фильтра. Установка по опреснению и очистке морской воды обычно представляет собой множество тонких трубок, и морская вода подается в трубки под давлением, достаточным для того чтобы вода просачивалась через фильтр. Такое давление называется осмотическим, при котором необходимо следить за тем, чтобы оно не превысило допустимые величины, иначе мембрана может порваться или начать пропускать соли, растворенные в морской воде. Для очистки воды применяются фильтры грубой очистки, тонкой очистки и фильтры химической и биологической водоочистки [3].
Применение теплового преобразования в установке опреснения минерализованной воды, связано с нашими исследованиями по повышению эффективности фотоэлектрических батарей (ФЭБ) в условиях сухого жаркого климата республики в летние времена года (апрель-сентябрь), которые приводят к уменьшению эффективности ФЭБ до 30%. Разработанные нами в фототепловых батареях (ФTБ) были решены две задачи отвод тепла от тыльной поверхности ФЭБ тепловыми коллекторами, установленными на тыльной стороне батареи и увеличение полного поглошения кремниевыми солнечными элементами (СЭ) на фронтальной стороне. Эти исследования позволяют прогнозированию процессов теплового проеобразования в структурах СЭ из кристаллического кремния [4-5], что необходимо при разработке установки опреснения воды. В связи с этим, в тепловом коллекторе установка опреснения минерализованной воды, где происходят поглощения солнечного излучения, испарения минерализованной воды, охлаждения пара и сбора очищенной воды установки, для поглощения энергии солнечного излучения использованы структуры СЭ на основе кристаллического кремния.
Результаты исследования и обсуждения
Для определения потенциальных возможностей использования структур СЭ из кристаллического кремния для нагрева воды при изготовлении тепловых коллекторов установок опреснения воды были проведены предварительные эксперименты по определению температуры на тыльной поверхности ФЭБ мощностью 5Вт, изготовленных из СЭ в зависимости от интенсивности солнечного излучения, падающего на поверхность батарей. Измерение температуры тыльной поверхности проводились применением термопар на основе медь-константан. Термопары (4 термопары) установлены на специально изготовленных площадках тыльной поверхности скоммутированных СЭ и закреплены специальным припоем. Разброс температуры измеренные термопарами составляет не более 1%. Измеряли температуры тыльной поверхности ФЭБ в зависимости от интенсивности падающего солнечного излучения на фронтальную поверхность. Было
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
установлено, что при интенсивностях падающего солнечного излучения более 900Вт/м на тыльной поверхности ФЭБ достигается температура ~100оС при скоростях ветра не более 3м/сек. На рисунок1 приведены зависимости температуры воздуха, интенсивность прямого солнечного излучения, температуры тыльной поверхности ФЭБ от времени при ясной погоде в октябре 2023-года в условиях Гелиополигона Физико-технического института г. Ташкента.
1- интенсивность прямого солнечного излучения, 2-интенсивность солнечного излучения при включении одного из рефлекторов, 3-интенсивность солнечного излучения при
включении обеих рефлекторов.
Рисунок 1. Временная зависимость интенсивности прямого солнечного излучения, температуры тыльной поверхности ФЭБ и температуры воздуха.
Как видно из рисунок1 использование интенсивности прямого солнечного излучения также позволяет достижению температуры испарения воды при значениях 800 Вт/м2 и более, при атмосферных условиях, когда температура воздуха 23-25оС и скоростях ветра 35 м/сек. Однако эти показатели достигаются в основном только в летние времена (с апреля по август) года.
На рисунок 2 приведен вид теплового коллектора с фронтальной стороны для получения питьевой воды с использованием прямого солнечного излучения. Для гарантийного обеспечения испарения воды и повышения её температуры, необходимо увеличение интенсивности солнечного излучения на фронтальной стороне коллектора. С этой целью были изготовлены и установлены 3 рефлектора, на двух боковых и на нижней стороне теплового коллектора. Влияние рефлекторов на интенсивность солнечного излучения, падающего на поверхность теплового коллектора изучена поэтапным включением при работе установки очистки минерализованной воды [6].
Конструкция теплового коллектора состоит из двух частей, верхней и нижней в форме коробки. Верхная часть устройства имеет четырехугольную форму и предназначен для получения очищенной воды. С фронталььной стороны (сверху) коробка закрыта каленым стеклом толщиной 3-4мм. Потери солнечного излучения при прохождении стекла составляет 4-5%. Коробка изготовлена из нержавеющей стали толщиной 0,5мм с установленными на нижней плоскости солнечными элементами на основе
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
кристаллического кремния (без коммутированными токосъемными контактами) для эффективного поглощения солнечного излучения. Лицевая сторона кремниевых солнечных элементов покрыта просветляющим покрытием из нитрида кремния. Расстояние между верхней (стекло) и нижней части коробки составляет 13-15мм и заполняется минерализованной водой.
Рисунок 2. Один из разработанных вариантов теплового коллектора установки опреснения минерализованной воды. геометрические размеры составляют 312х480х13 мм., объем заполнения 1,6 литра.
Для уменьшения потери энергии солнечного излучения, падающего на фронтальную поверхность теплового коллектора по периферии коллектора нанесен теплопоглащающий слой специальной пасты (1), которая обеспечивает температуру на несколько градусов больше (5-7оС) температуры поверхности стекла. Белый цвет на рисунке это поверхность из нержавеющей стали (4), черный цвет посередины щель для выхода пара воды (5). Цифрой 2 и 3 обозначены структуры солнечного элемента из кристаллического кремния.
На рисунок 3 показано передвижная установка опреснения минерализованной воды (вид с фронтальной стороны) для использования в условиях регионов республики с жарким экстремальным климатом. На фронтальной стороне, как видно из рисунка 3 в основном размещены блоки и части для приема солнечного излучения, тепловой коллектор, фотоэлектрическая батарея и рефлекторы для увеличения интенсивности солнечного излучения. На тыльной стороне установки размещены кулеры (3 кулера) для охлаждения фотоэлектрической батареи и узла охлаждения и выхода водяного пара потребляемая суммарная мощность устройств 6Вт, контроллер для изменения и контроля оптимизации напряжения зарядки аккумуляторной батареи, гелиевая аккумуляторная батарея емкостьью 26Вт, емкость для сбора и сохранения очищенной воды, долнительный мини насос для подачи водяного пара мощность 2,5Вт.
Тепловой коллектор размещается в нижную часть установки в коробку изготовленную из стальною листа толщиной 2мм. Коллектор вложен в нижную коробку,
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali
5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
который защищает верхную коробку с тепловым коллектором от механической встряски и тепловых потерь. Донная плоскость нижней коробки покрыта фольгоизолем с алюминиевым покрытием, боковые стороны также по периметру покрыты фольгоизолем для уменьшения тепловых потерь теплового коллектора, приведенного в тепловой контакт
[7].
Рисунок 3. Установка опреснения минерализованной воды (фронтальная сторона). 1-рефлекторы, элементы для поглощения солнечного излучения, 2-фотоколлектор, 3-фотоэлектрическая батарея, 4-ручка передвижения всей конструкции, 5-планки (штуцеры) для ориентирования и закрепления рефлекторов.
Структуры солнечных элементов из кристаллического кремния на донную плоскость из алюминия склеены специальным составом с температурой плавления (~300°C). Этот клеющий состав даёт возможность увеличения процесса теплообмена между солнечными элементами алюминиевым дном, и тепло легко передаётся воде. Солнечное излучение на поверхность теплового коллектора падает двумя путями, непосредственно на прямую и отражаясь от поверхности рефлекторов. Проходит через защитное стекло и толщины минерализованной воды, заполненной до структуры кристаллического кремния. Поглощение солнечного излучения происходит в структуру кристаллического кремния. По периферии стекла шириной 15мм нанесена эмульсия черного цвета, что даёт дополнительное поглощение излучения на стекле и предотвращает тепловые потери на атмосферу. В целом обеспечивается полное поглощение солнечного излучения в структурах солнечных элементов и резкое повышение их температуры. Согласно проведенным исследованиям за 15-20 минут после начала освещения теплового коллектора (при интенсивности падающего прямого солнечного излучения 650-700Вт/м2) из-за резкого повышения температуры наблюдается процесс кипения минерализованной воды. С изменением положения металлоконструкционны каждое 5-7 минут установок
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali
5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
обеспечиваются непрерывным перпендикулярным падением солнечного излучения на пов ерхность теплового коллектора и достижения непрерывного получения паров воды над минерализованной водой. Преобразование полученных паров воды в очищенную воду зависит от направленности паров воды к выходу пара и от энергетических потерь минерализовавнной воды. Достижение направленности паров воды к выходу паров зависит от сонаправленности с градиентом температуры. В качестве минерализованной воды использовалась водопроводная вода с добавлением пищевой соли в количестве 30г/л. Эксперименты проводились в мае 2024 г в Гелиополигоне Физико-технического института. Проводимые эксперименты в натурных условиях Гелиополигона показали, что обслуживающие и контролирующие блоки, касающиеся принудительного охлаждения и выхода паров воды с использованием микронасоса, не дают ощутимых результатов для производительности установки очистки воды.
Выводы
Совокупность эффекта от этих дополнительных блоков составляет меньше 3-4% от производительности воды. В связи с этим было решено отказаться от перечисленных контролизирующих блоков, изменить конструкции узла выхода паров с возможностью усиления теплообмена выхода паров воды с температурой среды (атмосферы) за счет оптимизации конструкции и использованием материалов с хорошей теплопроводностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мамсонтов А. Воды много не бывает. Инвестиции в технологии опреснения, КС Экспресс, Мировые рынки, 2023 г.
2. Татаринова Р. Е. Изучение методов очистки воды. Инженерно-технический институт Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, г. Якутск
3. Алексеев Л. С. Контроль качества воды. М.: Инфра, 2004. C. 154.
4. Артукметов З.А. Водные ресурсы и использование воды. Ташкентский государственный аграрный университет. Ташкент. 2007. C. 45.
5. Турсунов М.Н., Сабиров X,., Ахтамов Т.З. Хуёш энергияси ёрдамида шур сувни ичимлик сувига айлантириш курилмаси. "Ирригация ва мелиорация" журнали №2(36).2024. C. 64-67.
6. Турсунов М.Н., Х. Сабиров, Т.З. Ахтамов, Ш.А. Абриев, А. Бегдуллаев. Хуёш енергияси ёрдамида ишловчи ко‘чма фотоелектрик сув чучутиш курилмаси. «Молодые ученые третьего ренессанса: современные задачи, инновации и перспективы" сборник международной научно-практической конференции. Ташкент. 2024 г. C. 125-126.
7. Турсунов М.Н., Сабиров Х., Ахтамов Т.З. Автономная передвижная опреснительная установка. Сборник тезисов 2ой Международной конференции по физике высоких энергий, материаловедению и нанотехнологиям (ИЧЕПМС-2024) посвящённой памяти академика НАН РК Эрнста Гербертовича Бооса. 2024. С. 99. DOI: 10.13140/РГ.2.2.13558.57921.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali
5-jild, 3-son, 2024
