Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка низкотемпературной дистилляционной опреснительной установки с механической компрессией пара
НТТМ-2017-1321 | Категория I

Автор:

Чабан Дмитрий Васильевич

Иванов Алексей Алексеевич

Научный руководитель:
Малафеев Илья Игоревич
Организация:
Школа №2030,
Москва
Цель работы
Создание энергоэффективной мобильной опреснительной установки.
В мире всего 3% пресной воды от общего запаса водных ресурсов. Возрастающие потребление пресной воды промышленностью, увеличение населения Земли приводит к тому, что потребность в пресной воде постоянно растет. Многие удаленные поселения также не имеют доступа к пресной воде. В связи с этим возникает потребность в создании опреснительных установках для частного и бытового использования. Особое внимание при проектировании установок очистки воды стоит уделить надежности и простоте обслуживания.
Предлагаемый способ опреснения воды - термическая дистилляция - основан на фазовых превращениях воды. Именно в установках с этим способом опреснения получается самый качественный продукт.
Обзор предметной области
Потребность в пресной воде в настоящее время высока, как никогда прежде. За последние полвека ее потребление утроилось, а орошаемые такой водой площади за этот период увеличились вдвое. Во всемирном докладе ООН о роли водных ресурсов отмечается снижение доступа к пресной воде во многих регионах земного шара. Дефицит пресной воды становится одним из структурных факторов, воздействующих на мировое экономическое развитие, причем цена на пресную воду играет определяющую роль. Спрос на воду формируется в основном четырьмя секторами экономики: сельским хозяйством, энергетикой, промышленным производством и бытовым водопользованием. Земледелие и животноводство отличаются наибольшим водопотреблением. По самым оптимистичным прогнозам, к 2050 г. глобальное потребление воды в сфере сельского хозяйства вырастет примерно на 20% как в зонах богарного (без искусственного орошения) земледелия, так и на искусственно орошаемых территориях.
В связи с этим возникает потребность в мобильных опреснительных установках малой производительности для частных сельских хозяйств и бытового использования. В таких установках нуждаются небольшие поселки прибрежной зоны морей и жители удаленных районов, не имеющих доступа к чистой воде [1,2].
В настоящее время широко выпускается два типа опреснителей, рассчитанных на производительность по дистилляту 2÷100 л/ч: мембранные и выпарные, с нагревом посредством ТЭНов.
В ТЭНовом дистилляторе вода нагревается с помощью теплоэлектронагревателей; тепло выделяется при прохождении электрического тока через спираль нагревателя, имеющую значительное сопротивление. Процесс дистилляции состоит из двух фаз. Первая заключается в выпаривание воды, которой сообщается теплота в размере 629 кВт*ч/м³ (энергия, необходимая для работы таких аппаратов, подводится в виде электричества). Вторая фаза представляет собой конденсацию водяных паров, с отводом теплоты к водопроводной воде.
Преимущества ТЭНового аквадистиллятора – возможность работать на исходной воде любого качества и высокая степень очистки дистиллята.
Существенным недостатком подобного вида выпарных дистилляторов является очень большое электропотребление. При этом ТЭН является элементом, требующим особого внимания к себе. Он не любит перегрева, это влечет за собой его перегорание. Его необходимо регулярно очищать от накипи (накипь, образующаяся на нем, ухудшает теплоотдачу от него к воде). Так же необходимо помнить, для осуществления процесса конденсации требуется подвод охлаждающей воде (порядка 8 л. охлаждающей воды на 1кг дистиллята).
Обратный осмос – это процесс перехода растворителя (воды) из раствора через полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. Избыточное рабочее давление солевого раствора в этом случае намного больше осмотического. Движущей силой обратного осмоса является разность давлений. Для получения воды методом обратного осмоса, нужно создавая избыточное давление, превышающее осмотическое, «заставить» молекулы диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу, т.е. со стороны высокоминерализованной воды в отсек чистой воды, увеличивая ее объем.
К плюсам данного вида техники можно отнести: значительную экономию электроэнергии, минимальное количество манипуляций для вывода аппарата на рабочий режим, достаточно экономное водопотребление.
Но у этого метода есть и свои недостатки. Обратный осмос не способен полностью удалять все примеси из воды и обладает низкой способностью к удалению растворенных органических веществ с очень малым молекулярным весом. Для эффективной работы обратноосмотических установок необходимо учитывать качество исходной воды и осуществлять грамотный выбор методов ее предварительной обработки и конфигурацию системы в целом (т.е. наличие блоков предварительной очистки, блока деонизации).
Для создания энергоэффективных опреснительных установок малой производительности было выбрано схемное решение с механической компрессией пара. В качестве основного средства сжатия и нагнетания водяных паров предлагается использовать безмасляный пластинчато-роторный вакуумный насос.
Опреснители с механической компрессией пара (MVC) полностью автономны, их требуется только подключить к электрической сети, поэтому они могут использоваться в отдаленных, но имеющих доступ к различным источникам электроэнергии районах. Этот вид техники обладает рядом положительных качеств: отсутствие необходимости в предварительной подготовке морской воды (за исключением применения фильтров грубой очистки); простота эксплуатации и обслуживания; отсутствие внешних теплообменных аппаратов; модульность конструкции, позволяющая конфигурировать систему под требуемую производительность; умеренные инвестиционные затраты.
Среди действующих мобильных дистилляционных систем известны опреснители фирмы Norland производительностью по дистилляту 200–900 л/ч с паровым центробежным компрессором (http://www.norlandintl. com/). Установка не отличается высокой эксплуатационной надежностью (из-за сложного исполнения парового компрессора и работы в тяжелых условиях с водяным паром), но удельные затраты энергии на опреснение при этом достаточно низкие (20–50 кВт·ч/м3). Сложность заключается в трудности создании установок меньшей производительности.
Вывод по обзору литературы:
Обоснована необходимость создания опреснительных систем малой производительности для снижения дефицита пресной воды. В качестве базовой принята дистилляционная схема с механической компрессией пара.
Описание результатов проекта
Разработанная низкотемпературная опреснительная система малой производительности, отличающаяся экологичностью, надежностью, относительной простотой конструкции и технологии изготовления, возможностью изготовления исключительно из отечественных компонентов.
Описание применимости
Данные результатов могут быть использованы для усовершенствования и создания более эффективной низкотемпературной дистилляционной опреснительной установки с механической компрессией пара.
Дальнейшее развитие проекта
Создание промышленной установки и её модернизация для увеличения количества производимости дистилляционной воды , и в последствии замена существующих парокомпрессионных установок в тех сферах, где дистилляционная вода является важным компонентом в технологии производства.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ