Конденсационные станции
Описание
Извлечение воды из воздуха менее производительный, а в ряде случаев более энергозатратный метод получения питьевой пресной воды в сравнении с технологиями опреснения соленых вод различных источников, включая морскую воду. Вместе с тем, в ряде случаев, этот метод является единственно возможным и экономически наиболее эффективным способом производства питьевой пресной воды.
В общем случае, задача получения пресной воды из воздуха состоит в охлаждении воздуха ниже температуры точки росы и сбора сконденсировавшейся воды. В сухом воздухе засушливых районов абсолютное содержание воды в воздухе не велико, и воздух, охлажденный ниже температуры точки россы, может не образовывать достаточного количества конденсата на твердой гладкой поверхности, достаточного для сбора воды.
НИИЭПФ были разработаны ключевые инженерные решения по решению задач охлаждения воздуха и сбора конденсата, которые могут гибко сочетаться в различных комбинациях, в зависимости от того, где именно предполагается установка оборудования для получения воды из воздуха, а также типа установки – стационарной системы или мобильной. Ключевым преимуществом такого подхода является возможность создания из стандартных промышленных комплектующих и в сжатые сроки надежных и экономически эффективных водогенерирующих установок, наилучшим образом адаптированных под индивидуальные условия эксплуатации и реализующими максимально возможный КПД для каждого частного случая.
Решения по охлаждению воздуха
до температуры ниже температуры
точки росы
В качестве холодильных машин используются промышленные холодильные машины известных типов, собранные из комплектующих ведущих производителей отрасли. Далее представлены краткие описания типов паровых машин, которые могут быть применены в создании водогенерирующих установок в зависимости от предполагаемых условий их эксплуатации, производительности и иных индивидуальных требований к водогенерирующей установке.
Парокомпрессионная холодильная машина
В качестве источника холода может быть использована парокомпрессионная холодильная машина. Такое решение подходит для относительно небольших или мобильных установок. Парокомпрессионная холодильная машина позволяет получить наиболее низкие значения температур хладагента, что может быть критичным при извлечении влаги из наиболее сухого воздуха. Для работы парокомпрессионной машины требуется механическая энергия привода (электро- или теплового двигателя).
Сжатый в компрессоре 3 до давления р1 влажный пар (например, пар фреона) поступает в охладитель конденсатор 4, где за счет отдачи теплоты внешней среде происходит конденсация пара по изобаре-изотерме 1-4. Из конденсатора выходит жидкость в состоянии насыщения (точка 1 на T-S диаграмме). После дроселирования (дроссель 1) происходит испарение жидкости в испарителе 2 с генерацией холода (поглощением тепла).
Пароэжекторная холодильная машина
Использование пароэжекторной машины целесообразно в случаях, когда температура точки росы лежит относительно высоко и не требуется низких температур хладагента. Достоинством пароэжекционных машин является высокая производительность и возможность использовать для выработки холода кинетическую энергию водяного пара с низкими энергетическими параметрами.
Водяной пар, образовавшийся при расширении насыщенной воды в редукционном вентиле 1 от давления р1 до давления р2, поступает в испаритель 2, размещенный в охлаждаемом объеме. Температура в испарителе пароэжекторной холодильной установки может быть ниже температуры тройной точки воды (0,01 °С), если в качестве хладагента использовать водный раствор соли. Из испарителя пар высокой
степени сухости при давлении р2 направляется в камеру смешения парового эжектора 3. В сопло эжектора подается пар из котла 4 с давлением рк. Расходы пара, подаваемого в камеру смешения эжектора из испарителя и в сопло эжектора из котла, подбираются таким образом, чтобы давление пара на выходе из диффузора эжектора равнялось р1. Из эжектора сухой насыщенный пар направляется в конденсатор 5, где он конденсируется, отдавая теплоту охлаждающей воде. Поток конденсата при давлении р1, выходящий из конденсатора, раздваивается – большая часть воды направляется в холодильный контур, на вход редукционного вентиля 1, а меньшая часть – к насосу 6, в котором давление воды повышается до рк. Насос 6 подает воду в котел. Парообразование происходит за счет теплоты, подводимой к котлу.
Воздушная холодильная машина
Несмотря на более низкий КПД холодильного цикла воздушной холодильной машины, ее применение в больших по производительности водогенерирующих установках может быть наиболее эффективным за счет прямого охлаждения воздуха и возврата его кинетической энергии при сбросе давления в турборегенераторе.
Хладагент (воздух) расширяется в детандере 1 от давления p1 до давления р2, совершая работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, производя электроэнергию с помощью соединенного с детандером электрогенератора или производя механическую энергию на турборегенераторе). Воздух, охлажденный в результате процесса адиабатного расширения в детандере от температуры Т1 до температуры Т2, поступает в охлаждаемый объем 2, из которого он отбирает теплоту. Отбор тепла в данном случае не является полезным, и принимаются меры к его минимизации, роль охлаждаемого объема играет устройство непосредственного извлечения воды из воздуха, в частности адсорбционный осадитель (см. описание ниже). Процесс передачи теплоты от охлаждаемого объема к воздуху происходит при постоянном давлении воздуха (р2 = const). По выходе из охлаждаемого объема воздух направляется в компрессор 3, где его давление повышается от р2 до p1 (при этом температура воздуха возрастает от Т3 до T4). Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель 4. Охладитель представляет собой теплообменник поверхностного типа, в котором температура воздуха снижается вследствие отдачи теплоты охлаждающей воде, циркулирующей через охладитель. Процесс в охладителе происходит при постоянном давлении воздуха (p1 = const).
Абсорбционная холодильная машина
Абсорбционная холодильная машина наиболее выгодна при наличии доступной низкопотенциальной тепловой энергии, включая солнечную, что позволяет минимизировать расход электрической энергии.
В качестве одного из возможных хладагентов в такой установке используется влажный пар аммиака. Жидкий насыщенный аммиак, дросселируясь в редукционном вентиле 1 от давления p1 до давления p2, охлаждается от температуры TI до температуры T2. Влажный пар аммиака поступает в испаритель 2, где степень сухости пара увеличивается до х = 1 за счет притока теплоты q2 от охлаждаемого объема. Сухой насыщенный пар аммиака при температуре Т2 поступает в абсорбер 3, куда подается также раствор аммиака в воде, имеющий температуру T1. Поскольку при одном и том же давлении вода кипит при значительно более высокой температуре, чем аммиак, легкокипящим компонентом в этом растворе является аммиак. Этот раствор абсорбирует пар аммиака; теплота абсорбции qабс, выделяющаяся при этом, отводится охлаждающей водой 1. Концентрация аммиака в растворе в процессе абсорбции увеличивается, и, следовательно, из абсорбера выходит обогащенный раствор (при температуре T2 < TII < T1 и давлении p2). С помощью насоса 4, повышающего давление этого обогащенного раствора от р2 до р1, раствор подается в генератор аммиачного пара 5, где за счет теплоты qпг, подводимой к раствору от внешнего источника, происходит испарение раствора. Выделяющийся при этом пар значительно более богат аммиаком, чем раствор, из которого он получается. Практически из раствора выделяется почти чистый аммиачный пар, т.к. парциальное давление водяного пара в газовой фазе при этих температурах ничтожно мало. Этот аммиачный пар при температуре TI и давлении р1 поступает затем в конденсатор 6, где он конденсируется, и жидкий аммиак в состоянии насыщения направляется в редукционный вентиль 1. Выходящий из парогенератора 5 раствора, содержание аммиака в котором значительно снизилось в результате выпаривания, дросселируется в редукционном вентиле 7 от давления р1 до давления р2 и затем поступает в абсорбер 3, где обогащается аммиаком за счет абсорбируемого аммиачного пара.
Термоэлектрическая холодильная машина
Термоэлектрическая машина обладает наименьшим КПД, но она наиболее компактна. Ее использование ограничено и целесообразно только в малых водогенерирующих установках. В качестве термоэлектрических элементов используются модули элементов Пельте или полупроводниковые элементы.
Теплосток в глубокие слои грунта
В ряде случаев становится целесообразным использовать в качестве источника холода слои грунта на глубине до 10 метров от поверхности. Такой способ предполагает бурение на месте ряда скважин для размещения в них охладителей воздуха. Способ пригоден только для стационарных водогенерирующих установок, а его преимуществом является практически полное отсутствие внешних энергозатрат на процесс охлаждения воздуха.
Аккумуляторы холода
Использование аккумулятора холода основано на возможности запаса холода жидким теплоносителем за счет резкого суточного колебания температур в некоторых микроклиматических зонах Земли (например, в пустынях). Такой способ может существенно снижать энергетические затраты на ведение процесса генерации воды и применим преимущественно для стационарных водогенерирующих установок.
Решения по сбору капель конденсата
из охлажденного воздуха
Адсорбционный осадитель
Принцип действия сорбционного осадителя основан на пропускании охлажденного воздуха через адсорбер – емкость наполненную адсорбентом поглощающего влагу. При этом в ряде случаев охлаждения воздуха не требуется или требуется минимальный уровень охлаждения воздуха с целью повышения КПД водогенерирующей установки. После насыщения сорбента водой из воздуха, подачу воздуха прекращают, переключив ее на другой абсорбер. Далее производится нагрев сорбента тем или иным способом, что приводит к выделению воды в форме насыщенного водяного пара, который конденсируют и получают водный конденсат. После охлаждения адсорбера в него вновь подают воздух, и цикл повторяется. Особенность и преимущество решения в сравнением с аналогами – специально созданный адсорбент с емкостью по воде до 83г воды на 100г сухого адсорбента и температурой десорбции 78оС.
Электростатический осадитель
с инициированием каплеобразования
Принцип действия электростатического осадителя основан на эффекте электростатического притяжения микрокапель воздуха на твердую поверхность электрода-сборника. Существенным отличием разработанного решения от аналогов является дополнительная реализация эффекта инициирования осаждения капель заряженными частицами (первичным воздействием потока электронов между пластинами электродов-осадителей). Механизм данного эффекта полностью аналогичен эффекту ионизации воздуха в атмосферных слоях в процессе осадкообразования в естественных условиях и способен повысить суммарный КПД водогенерирующей установки на 15-18% от исходного уровня. Также как в адсорбционном осадителе, в ряде случаев, охлаждение воздуха не требуется. Электростатический осадитель работает в непрерывном режиме.
Решения для создания воздушной тяги
Вентиляторная и компрессионная тяга
Перемещение воздушного потока осуществляется с помощью вентиляторов или иного компрессионного оборудования. Такие решения используются, когда необходимы компактность оборудования в сочетании с высокой производительностью.
Конвекционная тяга
Тяга, основанная на тепловой конвекции, как естественной (вызванной перепадом температур на разных высотах), так и искусственной, с использованием остаточного тепла. Преимуществом такого решения является отсутствие внешних энергозатрат на создание воздушной тяги, что в ряде случаев позволяет создать практически энергонезависимые установки (станции) производства питьевой воды. Решения с конвекционной тягой применимы преимущественно для стационарных водогенерирующих установок.
Оценка энергетической эффективности
водогенерирующей установки
При производстве воды из воздуха с относительной влажностью 40% при 25оС при благоприятных условиях может быть достигнута эффективность 2,71МДж/кг (0,75кВт*час на 1кг/час воды). При этом до 85% указанных энергозатрат могут быть тепловыми (включая солнечное тепло), а не затратами на электроэнергию.
В ряде случаев, за счет использования естественных источников теплового стока и притока (например, тепловой сток в глубокие слои грунта и нагрев солнечным теплом) возможно достижение эффективности в пересчете на используемую
электроэнергию - 0,158МДж/кг (44Вт*час на 1кг/час воды).
Приведенная информация является справочной. Энергоэффективность водогенерирующей установки сильно зависит от конкретных условий эксплуатации и оценивается для каждого отдельно взятого случая, с учетом оптимизации номенклатуры технических средств под решение существующей задачи.
