автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Исследование устройств для получения воды из влаги атмосферного воздуха

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ОДЕССК^ фсдаРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

Г> »"-"М

^ ~ На правах рукописи

МОЙНУДЦИН ХАСАН МОХАММАД

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ВЛАГИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Специальность 05.04.03- Машины и аппараты холодильной

и криогенной техники и систем кондиционирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса -1997

Работа выполнена в Одесской Государственной Академии Холода

Научные руководители:

заслуженный деятель науки и техники УССР доктор технических наук, профессор В.П.Чепурненко

кандидат технических наук, доцент А.Е.Лагутин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.В.Дорошенко

кандидат технических наук, старшин

научный сотрудник

Н.Н.Дидык

Ведущая организация:

Физико-химический институт Национально академии наук Украины

Защита состоится " июАя 1997 г. в 10°° часов на заседании спещи лизированного Совета Д.05.20.01 при Одесской Государственной Академи Холода по адресу: 270100, г.Одесса, ул. Дворянская, 1/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОГАХ. Автореферат разослан 30 мая 1997 года.

Ученый секретарь специализированного Совета д.т.н., проф.

Исх. № 20-03-46

В.А.Календерьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Земля богата водой, почти три четверти запасов воды содержится в Мировом океане. Пригодная к употреблению вода распределена неравномерно. Около одного миллиарда людей в сельскохозяйственных регионах, в том числе в регионах с высокой плотностью населения -странах Азии, Африки, Латинской Америки располагают столь скудными .ресурсами питьевой воды, что часть из них не всегда располагает даже жизненно необходимым суточным минимумом 2-3 литра на человека.

При росте населения Земного шара, резервы пресной воды на Земле остаются неизменными. Море со своими неисчерпаемыми запасами воды, как сырьевой источник номер один, в будущем должно стать основой в обеспечении водой потребностей человечества.

В районах пустынь, которые простираются на расстоянии свыше 30000 км вдоль побережья Мирового океана, получение пресной воды из соленой представляет собой единственную альтернативу для восполнения отсутствующих природных запасов воды.

В ряде стран - США, Японии, Германии и т.д. уже созданы и успешно используются крупные установки для опреснения морских вод. Однако можно освоить и обширные, удаленные от побережья, площади в засушливых районах, если для снабжения использовать грунтовые воды, которые часто имеются в больших количествах, но засолены.

Помимо отмеченных глобальных проблем по обеспечению, потребностей человечества в питьевой воде существуют условия, где необходимы мобильные установки для водоснабжения небольших экспедиций (2-3 человека) жизненно небольшим суточным минимумом пресной воды удовлетворительного качества. Наиболее актуальна эта проблема в безводных и засушливых районах Земного шара, удаленных от источников соленых вод.

В этих условиях единственной альтернативой для восполнения отсутствующих природных запасов воды является влага, содержащаяся в атмосферном воздухе. При анализе возможных методов получения воды из влаги атмосферного воздуха в качестве критерия их оценки принята энергоемкость и мобильность системы. В этом случае минимум потребной мощности, необходимый для устойчивой работы установки, должен быть обес-

печен приемлемыми источниками энергопотребления (ветровые двигатели, преобразователи тепловой энергии и т.д.).

Вышеизложенное определяет актуальность проблемы выбора наиболее экономичного мобильного устройства для получения воды из влаги атмосферного воздуха.

Поставленная цель обусловливает решение следующих задач:

- разработку математической модели по оценке энергетической эффективности механического осушителя воздуха, при переменных температурно-влажностных условиях его эксплуатации;

- экспериментальную оценку влияния термического сопротивления пленки конденсата на тепловые характеристики воздухоохладителя механического осушителя воздуха;

- анализ возможных альтернативных устройств для получения воды из влаги атмосферного воздуха;

- сопоставление рассматриваемых устройств.

Научная новизна работы. На основании результатов экспериментального исследования установлено, что термическое сопротивление пленки конденсата образующейся на поверхности воздухоохладителя, механического осушителя воздуха, не зависит от интенсивности процесса массопереноса.

Теоретически обосновано наиболее приемлемое мобильное устройство для получения воды из влаги атмосферного воздуха при низких значениях его влагосодержания.

Научное положение, защищаемое в работе. Единственным мобильным (передвижным) устройством для получения воды из влаги атмосферного воздуха в пустынных и безводных районах Земного шара является механический осушитель воздуха.

Научные результаты, подученные в работе.

I. Разработана математическая модель взаимодействия элементов холодильной машины механического осушителя воздуха, позволяющая в любых температурно-влажностных условиях определить энергоемкость его эксплуатации.

2. На основании энергетических сопоставлений различных устройств получены рекомендации по выбору наиболее эффективных конструкций.

3. Установлены факторы, не оказывающие существенного влияния на интенсивность тепломассопереноса в поверхностных воздухоохладителях.

Практическая ценность работы. Полученные данные могут быть использованы при обосновании целесообразности создания различных устройств для получения воды из влаги атмосферного воздуха.

Разработанная математическая модель может быть использована при проектировании механических осушителей воздуха для различных условий их эксплуатации.

Апробация работы. Отдельные положения выполненного исследования были изложены в докладах, представленных на научно-технических конференциях:

- "Теория и практика вузовской науки 60-й учебно-методической и научно-технической конференции профессорско-преподавательсхого состава, научных сотрудников и студентов Одесской Государственной Ахадемии Холода" - Одесса - 1995 г.

- "Холод и пищевые производства" - Санк-Петербург - 1996 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Работа содержит страниц машинописного текста. 53 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен обзор климатологии безводных районов Земли и определен рабочий диапазон температуро-влажностных условий. Рассмотрены физические основы, устройства и методы получения воды из влаги атмосферного воздуха. Отмечены обнаруженные противоречия в вопросе оценки термического сопротивления пленки конденсата на поверхности воздухоохладителя. На основании выполненного анализа сформулированы задачи исследований диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований механических осушителей воздуха. Экспериментальные исследования посвящены изучению процессов тепломассопереноса в поверхностном воздухоохладителе в условиях интенсивного влаговыпаде-ния.

Экспериментальный стенд представлял собой замкнутую аэродинамическую трубу состоящую из узла подготовки парогазового потока, рабочего участка, охлаждающего контура и контрольно-измерительных и регулирующих приборов.

Исследования проведены с воздухом при начальном влагосодержа-нии от 0.067 до 0.107 кг/кг в интервале температур 49.8+107.2 °С. Диапазон перечисленных параметров обусловлен необходимостью создания рабочего интервала коэффициентов влаговыпадения - £=1.4+5.6. Расход воздуха во всех режимах поддерживался неизменным на уровне принятого среднего значения - 12.8-10-' кг/с. что соответствовало средней массовой скорости воздуха в живом сечении рабочего участка ~4.1 кг/(м2'С).

Исследования подтвердили выводы о значительной интенсификации процесса теплообмена при наличии массообменных процессов.

На рис. 1 представлена опытная зависимость условного коэффициента теплоотдачи от значения коэффициента влаговыпадения. Несмотря на значительные различия по количеству сконденсированной влаги (2+4 раза), влияние термического сопротивления пленки конденсата на значение приведенного коэффициента теплоотдачи в опытах не обнаружено. Очевидно,

ia поверхности теплообмена при любой интенсивности массообменных троцессов удерживалась пленка конденсата примерно равной толщины, о ¡ем свидетельствовали опытные значения, определенные косвенным путем.

Для проведения многоварнантных расчетов энергетических показателей механических осушителей воздуха, работающих в широком диапазоне изменения параметров наружного воздуха (температуры - и влагосодержання), была разработана блок-схема расчета и составлена про, Рис. 1. Зависимость a.j = /(£) грамма, реализованная на ЭВМ. Апробация математической модели осуществлялась на режимах ра-юты механического осушителя, исследованных A.A.Гоголиным. Хорошая ходимость сравниваемых результатов свидетельствовала о надежности федложенной модели расчета.

Характеристикой экономичности механического осушителя при финятой постоянной осушающей способности Gw=l кг/час был выбран 'словный холодильный коэффициент.

$-1

ßo-

е„ = -

5-1

На основании выполненных расчетов получены зависимости по-ребной холодопроизводительности установки, суммарного энергопотреб-[ения двигателями компрессора и вентилятора для климатических условий асушливых и безводных районов земного шара. Анализ полученных дан-1ых показал, что определяющим фактором в расходе энергии на работу механического осушителя воздуха является температура наружного воздуха и

тепень ее влияния тем больше, чем ниже влагосодержание осушаемого оздуха.

Для всех рассмотренных режимов (и, = 15+35 °С, (1н.,.=(4.5-И0.5)-10-3 г/кг), наиболее полная оценка эффективности механического осушителя

получена в виде зависимостей условного холодильного коэффициента от параметров осушаемого воздуха. На рис. 2 представлена отмеченная зависимость для фиксированного влагосодержания наружного воздуха dn.e~5.2-l (И кг/кг в интервале изменения его температуры 1н.в.= 15-г35 °С.

Там же для

£о

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

Ыэ, кВт/ч

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

35 1н.в., °С

сравнения приведена зависимость суммарной потребляемой энергии электродвигателями компрессора и вентилятора механического осушителя воздуха. Аналогичные данные получены для широкого диапазона температурно-влажно-

Рис. 2. Зависимость суммарной потребляемой энер- стных условий наруж-гии (Ыэ) электродвигателями механического осуши- ного в0здуха теля воздуха (1) и условного холодильного коэффициента (е.) (2) от температуры наружного воздуха В третьей главе при фиксированном его влагосодержания рассмотрены альтер-с1„,.=5.2-10-з кг/кг

нативные схемы установок получения воды из влаги атмосферного воздуха для принятых проектных параметров. В качестве таковых проанализированы:

- установка получения воды с помощью водного раствора УС1;

- абсорбционный гелиохолодильник периодического действия.

На основании анализа частных процессов (осушение воздуха, рекон центрации водного раствора 1лС1, конденсации выделенной влаги в процес се реконцентрации раствора, охлаждения поглотителя влаги перед после дующим его использованием в процессе осушения воздуха) предложен наи более экономичный вариант установки с узлом выпаривания водного рас твора УС1.

На рис. 3 приведена схема установки, в которой конденсацию паро! воды осуществляют при высокой температуре насыщения. Принцип работъ установки в режиме охлаждения раствора следующий. Из кипятильного ба

са (7) водный раствор соли при атмосферном давлении и его температуре сипения -140 "С с помощью насоса (6) подается в воздушный теплообмен-шк (4) обдуваемый вентилятором (5).

Охлажденный раствор сливается в бак (7). Охлаждение раствора куществляется в ночное время при наиболее низкой суточной температуре дружного воздуха. Конечная температура раствора после охлаждения холжна быть не более 30 °С.

- тегшообменный блок (абсорбер): 2 - сепаратор:3. 5. 11 - вентилятор; -теплообменник-охладитель; 6, 14-насос: 7 - кипятильным оак; ; - теплообменник нагреватель; 9 - солнечный коллектор: 10 - конденсатор: 2 - трубопровод слива воды; 13 - трубопровод выпуска паровоздушной меси

Ночь

В режиме осуше

ния воздуха (в ночно

время водный раство]

соли с помощью насос

(14) подается в блок теп

ломассообмена (1), гд

абсорбирует влагу из воз

духа продуваемого с по

мощью вентилятора (3]

Режим нагрева раствора

кипятильном баке (7) »

температуры его кипени

осуществляется днем, з

счет солнечного тепла

теплообменном контур

(8, 9). Режимы реконцект

рации раствора в кипя

тильном баке (7) и кон

денсации выпаренной во

ды в конденсаторе (10]

обдуваемом наружны!

воздухом с помощью вен

тилятора (И), осу

Рис. 4. Гистограммы теплопроизводительности ществляется одновремен (а) и энергопотребления (б) схемы рис. 3

но в дневное время.

- нагревание раствора; 2 - конденсация паров;

3 - охлаждение раствора; 4 - осушение воздуха

На рис. 4 приведи

на гистограмма тепле производительности и энергопотребления в соответствующих процесса установки получения воды из влаги атмосферного воздуха.

Для рассматриваемого режима, при заданной производительност по воде Сг\у=10 кг/сут. энергопотребление установки составило »0. кВт/кг.воды. Масса заправляемого в установку раствора - 360 кг. Потребна поверхность солнечных коллекторов составила ~7 м2.

С энергетической точки зрения, наиболее экономичным устройством для получения воды из влаги атмосферного воздуха является безнасосный абсорбционный гелиохолодильншс периодического действия. Его преимущество состоит в совпадении принципа действия с периодами использования низкопотенциального тепла:

- солнечной энергии для генерации пара хладагента из раствора в дневное время;

- самой низкой суточной температуры наружного воздуха для абсорбции пара хладагента раствором в ночное время.

В этих условиях энергопотребление гелиохолодильника равно нулю. Однако, для рассмотренных климатических зон, объемно-массовые показатели гелиохолодильника исключают возможность его использования как мобильного устройства.

Для оценки его габаритных характеристик, нами выполнены расчеты основных проектно-конструкторских параметров для температурно-влажносных условий рассматриваемых в настоящем исследовании. Принципиальная схема абсорбционного водоаммиачного холодильника приведена на рис. 5.

На первом этапе солнечный коллектор выполняет роль генератора. За счет тепла солнечной энергии при открытом вентиле (2) водоаммиачный пар выходит из коллектора (1) и поступает в воздушный конденсатор (3), где конденсируется и сливается в ресивер (4). В ресивере должен накопиться хладагент в количестве необходимом для обеспечения расчетной суточной холодопроизводительности при заданном температурном режиме.

После этого вентиль (2) закрывается и начинается второй этап. Здесь коллектор выполняет роль абсорбера, охлаждаемого наружным воздухом в условиях естественной конвекции при принятой ночной температуре ^«.=20 °С. На этом этапе работы коллектора, стеклянное покрытие и теплоизоляция с его поверхности удаляются. Открываются вентили (6) и (8). Сначала обедненный водоаммиачный раствор в коллекторе охлаждается. Затем начинается процесс абсорбции паров аммиака, образующихся в испарителе за счет тепломассообмена с наружным воздухом. Длительность периода работы испарителя принята равной 10 часам установившегося рабочего режима.

Рис. 5. Принципиальная схема гелиохолодильника периодического действия

1 - солнечный коллектор типа лист-труба; 2, 8 - вентиль; 3 - воздушный конденсатор; 4 - рессивер; 5 - регенеративный теплообменник; 6 - дроссельный вентиль; 7 - испаритель ; 9 . поддон для сбора воды

На основании параметров в узловых точках цикла, определенных по диаграмме для водоаммиачного раствора, с учетом исходных данных определены тепловые потоки в аппаратах абсорбционного гелиохолодильника. Результаты расчетов представлены в табл. I.

Таблица 1.

Наименование аппарата Тепловой поток кВт Плотность теплового потока Вт/м2 Потребная площадь поверхности аппарата м2

Испаритель 5.6 125 45

Конденсатор 7.9 80 100

Генератор 22.6 500 45.2

Абсорбер 20.4 200 102

Для получения воды из влаги атмосферного воздуха, в количестве 10 кг/сут., необходимо накопить в ресивере 220 кг хладагента. При этом заправка системы водоаммиачным раствором составит 1390 кг.

В четвертой гла-

1

Л

з

5

'4

Рис. 6. Принципиальная схема механического осушителя воздуха

1 - воздухоохладитель; 2 - компрессор; 3 - конден

сатор воздушного охлаждения; 5 - вентилятор; 6 -

поддон для сбора воды__

ве приведено,', сопоставление рассмотренных установок.

В качестве базового варианта сравнения был принят механический осушитель воздуха, работающий по схеме, представленной на рис. 6.

Базовая модель механического осуши-

теля воздуха для условий Он.». = 35 °С, (Зн.в.= 5.2-10"3 кг/кг) имеет следующие параметры:

холодопроизводительность компрессора при 1К=50 °С, 10=-3.5 °С

потребляемая мощность двигателя компрессора потребляемая мощность двигателя вентилятора площадь поверхности воздухоохладителя площадь поверхности конденсатора

На рис. 7 приведены данные производительности базовой модели механического осушителя по сконденсированной атмосферной влаге (Сглг) при изменении температуры и влагосодержания наружного воздуха.

- 9.3 кВт;

- 3.1 кВт-,

- 0.4 кВт;

- Юм2;

- 36 м2.

Вариантные расчеты частных процессов установки получения воды с помощью водного раствора соли 1ЛС1, принципиальная схема которой приведена на рис. 3, показали, что ее энергопотребление составило -0.3 кВт/хг.воды, что примерно в 4 раза ниже, по сравнению с механическим осушителем воздуха в сопоставимых условиях. Наиболее существенным конструктивным недостатком рассмотренной установки, исключающим- возможность отнести ее к классу мобильных устройств, является наличие большой теплообменной поверхности солнечных коллекторов в системе нагрева раствора ЦС1 до температуры его кипения. Анализ работы абсорбционного гелиохолодильника периодического действия показал, что для проектных условий его работы и принятой производительности по сконцентрированной влаге - СЬу=10 кг/сут. он может быть использован только как стационарное устройство вследствие неудовлетворительных объемо-массовых показателей.

Так, в сопоставляемых условиях, потребная площадь поверхности испарителя гелиохолодильника в 10 раз превышает площадь поверхности механического осушителя воздуха.

Самым громоздким и массивным аппаратом гелиохолодильника является солнечный

коллектор, выполняю-Рис. 7. Зависимость производительности базовой

модели механического осушителя по сконденси- роль генератора-рованной влаге (Ош) при изменении температуры абсорбера. Его объемно-и влагосодержания наружного воздуха

1. („„ = 35 °С; 2.1„.„= 25 °С; 3. !„.„.= 15°С массовые характеристики

можно снизить за счет использования гелиохолодильника в благоприятных температурно-влажностных условиях эксплуатации. Так, изменение влаго-выпадения наружного воздуха от 5.2-Ю-3 кг/кг до 10.5-10"3 кг/кг при прочих равных условиях', позволит снизить массовые характеристики гелиохоло-

СКу, кг/час

льника в 36 раз. Отмеченные условия позволят также снизить энергопо-ебление механического осушителя воздуха с 1.5 кВт/ч при dai—S. 2-Ю-3 /кг до 0.41 кВт/ч при d„.».-10.5-10-3 кг/кг при температуре наружного воз-ха 20 "С.

При повышении температуры наружного воздуха до 35 "С осущест-«ние процессов получения вода из влаги атмосферного воздуха, наостатках испот»зующих процессы абсорбции, весьма проблематично.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В работе впервые поставлена задача получения воды из влаги атмосферного воздуха дня засушливых и безводных регионов земного шара. На основании экспериментального исследования установлено, что термическое сопротивление пленки конденсата, образующейся на поверхности воздухоохладителя механического осушителя воздуха, не зависит от интенсивности процесса массопередачи.

Разработана и аппробирована математичесхая модель по оценке энергетической эффективности механического осушителя воздуха. Полученная модель может быть использована при проектировании механических осушителей воздуха для любых эксплуатационных условий. Определены условия и факторы, направленные на снижение энергоемкости и объемно-массовых показателей систем получения воды из атмосферного воздуха.

Установлено, что для климатических условий засушливых и пустынных районов Земли, установки с использованием принципа абсорбции не могут быть отнесены к классу мобильных передвижных устройств.

[убликации по материалам, изложенным в диссертации: . Expérimental investigation of heat exchange process under intensive raoisture condition / V.P.Chepurnenko, N.I.Gogol, A.E.Lagutin, H.M.Moinuddin -Proceeding of the 1996 International Compressor Engineering Conférence at Purdue - 1996, V. 1, p. 211-216.

2. Mathematical Modelling of heat-and-mass exchange process in Vegetable product Storage. / V.K.Kirillov, Al-Akhras Gassan, H.M.Moinuddin - Proceeding of the International Conf. "Heat Transfer issues in "NATURAL" Refrigerants" at Mai University - 1997.

Moinuddin Hasan Mohammad. The dissertation for the scientific degree < candidate of technical sciences of speciality 05.04.03 - Machines apparatus refrigej cryogenic technology and systems of conditioning.

Odessa State Academy of Refrigeration. Odessa. 1997.

Results of theoretical and experimental research of a mechanical air drier and alternative devices to obtain water from atmospheric air moisture in dry areas of the eai given. The criteria for the assessment of said devices were mobility and power consun with an adopted water production capacity of 10 kg per day.

Мойнудщн Хасан Мохаммад. Дисертащя на здобуття вченого ступеню канд техшчних наук за спещальшстю 05.04.03 - Машини та апарати холодильн криогенно1 техшки, системи кондищювання.

Одеська Державна Акаде,\ш холоду. Одеса. 1997.

Наведен! результата теоретичных та експериментальних дослдав мехаш осушителя повпря та шших альтернативних прилад1в, призначених для отриманш ¡з вологи атмосферного повпря у засушливих районах земно! куль Кр1тер1см с розглянутих припадав були мобшьшсть та енергоспоживання при устанет продуктивное™ по всад 10 кг/добу.

SUMMARY

АНОТАЩЯ

Условные обозначения:

4 - коэффициент влаговыпадения; Бе - холодильный коэффициент;

Qa - холодопроизводительность;

£ - концентрация раствора;

aj - приведенный коэффициент теплоотдачи.

Ыэ - электрическая мощность; i - энтальпия;