15 дек. 2009 г.

Солнечные опреснители и оросительные системы

SolarUA - cпонсор поста

От автора сайта: Продолжаем серию публикаций статей инженера-разработчика и изготовителя принципиально новых установок возобновляемой энергии Татаурова Олега Леонидовича.


От автора статьи: Создание установок по производству пресной воды, является чрезвычайно важным и перспективным направлением работ для научно-производственных предприятий. Объём работ в данном направлении неисчерпаем и рассчитан на долгие годы. Во всём мире спрос на чистую пресную воду растёт, и в дальнейшем он будет только увеличиваться. Спрос на установки по производству пресной воды будет соответственно также увеличиваться.


Данная статья предназначена для разработчиков-производителей опреснительных установок. В рамках данной статьи изложены только лишь некоторые рекомендации по изготовлению опреснителей, работающих без топлива и электричества. Данные опреснители работают на альтернативных источниках энергии (Солнце, ветер, море, река и т. д.).

1. Общие сведения

1.1. На рис.1 изображён солнечный опреснитель (СО) бассейнового типа. В мелкий бассейн поз.1 заливается морская вода. Крыша бассейна поз.2 изготовлена из прозрачного стекла.
Под воздействием Солнца, морская вода испаряется и конденсируется на поверхности стекла.
Капли конденсата по стеклянной поверхности крыши стекают в жёлоб поз.3, а из жёлоба конденсат поступает в накопительную ёмкость.


Рис. 1

*Если в кастрюлю налить горячую воду и закрыть её стеклянной крышкой, то можно будет своими глазами увидеть, как происходит процесс конденсации влажного воздуха.

1.2. Первые СО бассейнового типа были построены ещё в 1872 году. Они показали свою очень высокую надёжность и долговечность. За эти годы было создано множество самых разных моделей СО от индивидуального СО размером с журнальный столик, производительностью
1,5 – 2,0 л/сутки и стоимостью 25 – 30 долларов, до промышленных опреснителей с производительностью десятки кубометров в сутки. Производительность СО бассейнового типа зависит от площади испарения морской воды (Sисп), от площади конденсации (Sконд) и от
количества солнечной энергии (Е). С одного квадратного метра бассейновый СО может производить Q = 0,593•E - литров пресной воды в сутки при солнечной энергии
E – кВт•ч/м2•сутки. На широтах менее 45 град. солнечная энергия составляет до 6,5 кВт•ч на один квадратный метр, а стало быть, с одного квадратного метра можно получить почти
4 литра воды в сутки. Стоимость простейшего опреснителя составит 10 долл. на 1 литр/сутки, работать он может как минимум лет 20. То есть, в течение года опреснитель будет производить пресную воду по цене менее 10 центов за литр и за этот год он тем самым себя уже окупит, а оставшееся 19 лет будет производить пресную воду абсолютно бесплатно.
При этом пресная вода очищается до 99,5% и к тому же полностью обеззараживается.
Если индивидуальные СО поставлять в районы стихийных бедствий, то они смогут не только обеспечивать население пресной водой, но и предотвращать развитие эпидемий.

1.3. Преимуществами бассейновых СО является высокая надёжность, низкая стоимость, способность опреснять воду любой степени загрязнённости. Недостатками являются малая производительность, большие энергетические затраты (2,4 Мдж на 1 л. воды), большие габариты, а также затраты на техническое обслуживание, связанные с промывкой и очисткой стеклянной крыши. Кроме того, бассейновый СО может работать только лишь при наличии Солнца. Для создания более совершенных опреснителей, нужно немного ознакомиться с теорией работы СО.


2. Немного теории

2.1. Максимальное количество воды, которое может содержаться в 1 м. куб. влажного воздуха зависит от температуры (рис.2). Из данного графика видно, что содержание воды во влажном воздухе резко увеличивается с увеличением температуры. Морская вода в бассейновом СО в лучшем случае нагреется до 45 – 50 градусов. При такой температуре в 1 м. куб. влажного воздуха будет содержаться максимум 50 – 60 грамм воды, а при температуре около 100 градусов, количество воды во влажном воздухе увеличится чуть ли не в 10 раз! Скорость испарения также очень резко возрастает с увеличением температуры (рис.3). При температуре близкой к 100 градусам с 1 м. кв. испаряется около 7 гр. воды в секунду. Итак, для увеличения производительности СО, прежде всего, нужно стараться, как можно больше увеличить температуру испаряемой воды и как можно больше понизить температуру конденсации. Нужно как можно больше увеличивать площадь поверхности испарения и площадь конденсации. Рассмотрим более подробно, как это можно сделать на практике.

Рис. 2

Рис. 3

3. Увеличение температуры

3.1. Увеличение температуры испаряемой воды резко увеличивает скорость испарения, а стало быть, резко увеличивает производительность СО. В качестве примера, на рис.4 приведена схема подогрева морской воды, за счёт энергии Солнца и энергии ветра. Впрочем, эта установка может быть дополнена и другими видами энергии, например энергией морской волны.


Рис. 4


4. Увеличение площади испарения и площади конденсации



4.1. Площадь испарения можно значительно увеличить, если использовать распылители воды.
На рис.6 изображена испарительная камера поз.1, в которой применён распылитель воды в виде душа. Циркуляционный насос поз.2 обеспечивает распыление опресняемой воды.
Площадь конденсации можно значительно увеличить, если использовать вентилятор поз.3
и конденсатор поз.4.

Рис. 5

Рис. 6

4.2. В данной конструкции, в качестве циркуляционного насоса можно использовать автомобильный насос от стеклоомывателя, а в качестве вентилятора и конденсатора можно использовать автомобильный радиатор в комплекте с вентилятором (рис.5). Вентилятор создаёт внутри испарительной камеры дополнительный обдув капель воды и тем самым увеличивает скорость испарения опресняемой жидкости. Электроэнергия, необходимая для работы вентилятора и циркуляционного насоса может быть получена от солнечной батареи или ветрогенератора. Для конденсации влажного воздуха могут быть использованы и готовые промышленные влагоотделители, а также циркуляционные сепараторы. Данные агрегаты могут быть также использованы для получения пресной воды из влажного воздуха.

4.3. Конструкция опреснителя (рис.6) значительно компактнее бассейнового СО, а её себестоимость в соотношении цена – производительность примерно такая же.
Опреснитель данной конструкции не содержит стеклянных деталей, что значительно сокращает расходы на его техническое обслуживание.

4.4. Теоретический расчёт капельного опреснителя чрезвычайно сложен, гораздо проще и надёжнее изготовить действующую модель и провести лабораторные испытания. В результате испытаний необходимо определить оптимальную зависимость между температурой опресняемой воды, производительностью циркуляционного насоса Qмв и производительностью вентилятора Qв при которых производительность пресной воды будет максимальной, а энергетические затраты будут минимальными.

4.5. Результаты испытаний опытной модели опреснителя могут быть использованы для разработки компьютерной программы, которая позволит в дальнейшем создавать опреснители путём компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование позволит значительно сократить время на разработку новых моделей опреснителей и значительно сократит финансовые расходы.

5. Конструктивное исполнение опреснителей

5.1. Опреснители морской воды наиболее целесообразно размещать на плавучих платформах,
на прибрежных скалах или береговых сооружениях, которые очень существенно снижают затраты на фундаментные работы. Такие опреснители позволят выводить на побережье трубопровод с уже готовой пресной водой. Если установка производит пресную воду из воздуха, то её желательно размещать не выше 10 метров над уровнем моря.

5.2. Опреснители, работающие на альтернативных источниках энергии, проектируются в каждом конкретном случае отдельно. Это связано с тем, что производительность опреснителей сильно зависит от климатических условий местности и наличия источников альтернативной энергии. Выбрать оптимальный вариант опреснителя, можно только лишь при наличии плана местности и определения энергетических показателей источников энергии. Исключение составляют только лишь индивидуальные опреснители малой производительности. Эти опреснители можно изготавливать по принципу: «Сделал и продал».

6. Выбор материалов

6.1. При конструировании опреснителей следует отдавать предпочтение деталям, изготовленным из антикоррозионных материалов, например, деталям из полимеров или деталям с полимерным покрытием. Применение материалов из алюминиевых сплавов очень нежелательно. По возможности следует избегать прямого контакта металлических деталей с морской водой. Теплоизоляцию испарительной камеры предпочтительно изготавливать из пенополиуретана или аналогичных теплоизоляционных материалов. В качестве теплоносителя солнечного рефлектора (рис.4) следует выбирать органические теплоносители с максимально малой вязкостью и рабочей температурой от 0 до 350 градусов. Абсорбер рефлектора предпочтительно изготавливать из медного листа с покрытием из чёрного хрома. Все трубопроводы между абсорбером и испарительной камерой должны быть защищены теплоизоляцией с рабочей температурой не менее 400 градусов (асбест, каолин, и т. п.).

7. Себестоимость опреснителей

7.1. Для того чтобы стоимость опреснителей была максимально дешёвой, при конструировании нужно стараться изготавливать их из серийных узлов и деталей машиностроительного производства, например, применять автомобильные агрегаты (рис.5).

7.2. Для того, чтобы ориентировочно подсчитать затраты на изготовление опреснителя, нужно сложить стоимость всех входящих в него узлов и материалов и полученную сумму увеличить в 4 раза. Данный расчёт неприемлем для опытных образцов опреснителей, поскольку он не включает в себя затраты на проведение лабораторных и натурных испытаний опреснителя.
Как правило затраты на создание новой модели, в несколько раз превышают стоимость серийного изделия.

7.3. Для того чтобы создавать максимально дешёвые модели опреснителей, рекомендуется разработать компьютерную программу по расчёту оптимального варианта «Цена-производительность».

8. Оросительные системы

8.1. Приведённые в данной статье установки по производству пресной воды, могут работать и без участия человека. Для этого их нужно доукомплектовать лишь элементарными системами автоматики. В этом случае установки будут работать по принципу: «Сделал и забыл».
При этом пресная вода может быть направлена на обессоливание почвы (создание плодородных участков земли). На базе этих установок можно строить оранжереи, работающие на морской воде, строить жилые поселения и производить плодоовощную продукцию.

8.2. Во многих странах мира, очень актуальной является задача по защите берегов от размывания. Для решения данной проблемы опреснители могут быть доукомплектованы системами капельного орошения, что позволит выращивать лесозащитные полосы для укрепления береговой линии.

8.3. Производитель установок пресной воды сможет значительно увеличить свою прибыль, если он будет предлагать свои установки в комплекте с оросительными системами и оранжереями. Разумеется, что спрос на его продукцию и прибыль в этом случае будут значительно выше. Объясняется это тем, что установки по производству пресной воды будут производить уже не энергию и не пресную воду, а фактически они будут производить значительно более дорогостоящие продукты питания, и прибыль от внедрения этих установок будет уже рассчитываться не по стоимости пресной воды и энергии, а по стоимости произведённых продуктов питания.

9. Краткие выводы

9.1. Приведённые в данной статье опреснители относятся к опреснителям испарительного типа. Главное преимущество этих установок состоит в том, что они чрезвычайно надёжные и практически вечные, в них просто нечему ломаться. Освоение пустынных засушливых регионов и создание жилых поселений связано, прежде всего, с возможностью получения пресной воды и эта задача вполне решаема.
Сентябрь 2009 год. Москва.

Про автора: Татауров Олег Леонидович 1953 г. р. Окончил МВТУ им. Баумана в 1977 г. Инженер-механик. В Советское время работал в оборонных отраслях, в том числе около 10 лет отработал на полигоне Сары-Шаган в Казахстане (ракетная техника). В совершенстве владет вопросами конструирования сложной техники, а также вопросами по её производству и проведению испытаний. Контактный адрес электронной почты: alamaton@mail.ru

Комментариев нет: